圖蟲創(chuàng)意
基因的概念如今已經廣為人知。但基因不會是憑空出現的，它們最初是如何誕生的呢？
達爾文創(chuàng)立進化論的時候，人類還沒有基因這個概念。雖然同時代的孟德爾已經發(fā)現了遺傳因子，也就是基因的前身。但是達爾文卻沒能注意到這個同樣偉大的生物學發(fā)現。因此，在達爾文最初的進化論框架中就留下了一個難以解釋的問題，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，我們對于這個問題已經有了明確的答案：遺傳中發(fā)生改變的正是承載在DNA分子上的基因。不過，新的問題又產生了。如果說遺傳中基因發(fā)生了變化，那么出現一個新基因就意味著舊基因的消失，結果整個地球上的所有生命都將擁有數量相同的基因。
然而事實顯然并非如此。近二十多年來基因組學的不斷研究已經發(fā)現，人類擁有約2萬多個編碼蛋白質的基因，鯉魚有將近5萬個基因，而酵母只有6千多個基因，我們腸道里的大腸桿菌只有4千多個基因。很顯然，在進化的過程中，生物有可能獲得新的基因。但它們從何而來呢？
目前認為，最主要的一種產生新基因的方式就是通過基因的重復，它也催生了將近90%的基因。嚴格來講，大多數基因重復事件是一個錯誤。當細胞分裂時，基因組需要復制出一份來，分配到新的細胞中。由于某些復制錯誤，就會導致承載著某個基因的那段DNA被錯誤地裝配了兩次。于是，這個基因在新的細胞中就出現了一個一模一樣的拷貝。
接下來，隨著成千上萬年的時間過去，生物的每個基因都可能因為突變而發(fā)生變化。于是，這兩個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。
在我們人類的基因組中就有這樣兩個已經分化，但還沒有離得太遠的基因。它們分別編碼了我們的長波和中波彩色視蛋白。如果不是因為基因重復誕生了它們兩個基因，那么靈長類就會像其他哺乳動物一樣成為色盲。不過，正是因為這兩個基因是重復所造就的，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，因為這兩個基因在染色體上離得比較近，所以也很容易在復制時丟掉其中一個，從而導致了紅綠色盲這種病癥。
另外一個產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)域也有可能在某個突變發(fā)生之后就變得能夠編碼蛋白質。如果這種蛋白質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，科學家們又發(fā)現了一種新的基因產生方式，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的基因，而隨著RNA功能研究的深入，科學家們發(fā)現細胞內有大量起著調控作用的小RNA，并且也是由基因組中的對應基因來編碼的。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的，所以能對接在一起?？茖W家們一直感到很困惑，不知道像這樣前后恰好互補的序列是如何出現的？難道也要靠一位一位的突變積累？
新的研究發(fā)現，實際上，這種回文僅靠一次復制錯誤就能實現。當基因組復制時，如果遇到錯誤導致復制停止，那么新合成的DNA鏈可能與本側的模板脫離，并恰好漂到對側的DNA模板上反向連接。如果此時DNA復制得以繼續(xù)，那么用對面模板反向合成出來的就一定是倒序互補序列。就這樣，小RNA的基本骨架在一次復制錯誤中就直接誕生了，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：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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