圖蟲創(chuàng)意
基因的概念如今已經(jīng)廣為人知。但基因不會是憑空出現(xiàn)的，它們最初是如何誕生的呢？
達(dá)爾文創(chuàng)立進(jìn)化論的時(shí)候，人類還沒有基因這個(gè)概念。雖然同時(shí)代的孟德爾已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了遺傳因子，也就是基因的前身。但是達(dá)爾文卻沒能注意到這個(gè)同樣偉大的生物學(xué)發(fā)現(xiàn)。因此，在達(dá)爾文最初的進(jìn)化論框架中就留下了一個(gè)難以解釋的問題，那就是遺傳為何會發(fā)生改變，而改變的主體究竟是什么？
今天，我們對于這個(gè)問題已經(jīng)有了明確的答案：遺傳中發(fā)生改變的正是承載在DNA分子上的基因。不過，新的問題又產(chǎn)生了。如果說遺傳中基因發(fā)生了變化，那么出現(xiàn)一個(gè)新基因就意味著舊基因的消失，結(jié)果整個(gè)地球上的所有生命都將擁有數(shù)量相同的基因。
然而事實(shí)顯然并非如此。近二十多年來基因組學(xué)的不斷研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，人類擁有約2萬多個(gè)編碼蛋白質(zhì)的基因，鯉魚有將近5萬個(gè)基因，而酵母只有6千多個(gè)基因，我們腸道里的大腸桿菌只有4千多個(gè)基因。很顯然，在進(jìn)化的過程中，生物有可能獲得新的基因。但它們從何而來呢？
目前認(rèn)為，最主要的一種產(chǎn)生新基因的方式就是通過基因的重復(fù)，它也催生了將近90%的基因。嚴(yán)格來講，大多數(shù)基因重復(fù)事件是一個(gè)錯(cuò)誤。當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)，基因組需要復(fù)制出一份來，分配到新的細(xì)胞中。由于某些復(fù)制錯(cuò)誤，就會導(dǎo)致承載著某個(gè)基因的那段DNA被錯(cuò)誤地裝配了兩次。于是，這個(gè)基因在新的細(xì)胞中就出現(xiàn)了一個(gè)一模一樣的拷貝。
接下來，隨著成千上萬年的時(shí)間過去，生物的每個(gè)基因都可能因?yàn)橥蛔兌l(fā)生變化。于是，這兩個(gè)本來一樣的拷貝就會變得漸漸不同，甚至最終成為功能不同的基因。這樣一來，就誕生了新的基因。
在我們?nèi)祟惖幕蚪M中就有這樣兩個(gè)已經(jīng)分化，但還沒有離得太遠(yuǎn)的基因。它們分別編碼了我們的長波和中波彩色視蛋白。如果不是因?yàn)榛蛑貜?fù)誕生了它們兩個(gè)基因，那么靈長類就會像其他哺乳動(dòng)物一樣成為色盲。不過，正是因?yàn)檫@兩個(gè)基因是重復(fù)所造就的，所以差別直到今天也不大，這就讓人類的彩色辨別能力變得比較弱。另外，因?yàn)檫@兩個(gè)基因在染色體上離得比較近，所以也很容易在復(fù)制時(shí)丟掉其中一個(gè)，從而導(dǎo)致了紅綠色盲這種病癥。
另外一個(gè)產(chǎn)生新基因的方式很可能就是突變本身。我們都知道，基因組中有很多不具備明確功能的區(qū)域，但是這些區(qū)域也有可能在某個(gè)突變發(fā)生之后就變得能夠編碼蛋白質(zhì)。如果這種蛋白質(zhì)還恰好對生命的生存有好處，那么它的編碼區(qū)域就會被自然選擇保留下來，成為一個(gè)穩(wěn)定的基因序列。這種由突變積累成為基因的方式也算是“無中生有”了。
近來，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了一種新的基因產(chǎn)生方式，它解決了小RNA編碼基因的起源問題。前面討論的基因主要是指編碼蛋白質(zhì)的基因，而隨著RNA功能研究的深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)有大量起著調(diào)控作用的小RNA，并且也是由基因組中的對應(yīng)基因來編碼的。這些小RNA為了保持穩(wěn)定，往往都有回文序列，也就是在前后兩段序列恰好是倒序互補(bǔ)的，所以能對接在一起。科學(xué)家們一直感到很困惑，不知道像這樣前后恰好互補(bǔ)的序列是如何出現(xiàn)的？難道也要靠一位一位的突變積累？
新的研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上，這種回文僅靠一次復(fù)制錯(cuò)誤就能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)基因組復(fù)制時(shí)，如果遇到錯(cuò)誤導(dǎo)致復(fù)制停止，那么新合成的DNA鏈可能與本側(cè)的模板脫離，并恰好漂到對側(cè)的DNA模板上反向連接。如果此時(shí)DNA復(fù)制得以繼續(xù)，那么用對面模板反向合成出來的就一定是倒序互補(bǔ)序列。就這樣，小RNA的基本骨架在一次復(fù)制錯(cuò)誤中就直接誕生了，也是另一種“無中生有”。
本文為科普中國·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者：葉盛
審核：陶寧 中科院生物物理所 副研究員
出品：中國科協(xié)科普部
監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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