张国捷：不从演化角度思考，我们很难理解人类携带着98%的“垃圾DNA”

张国捷教授

丹麦哥本哈根大学

《世界科学》杂志第7期“专稿”选编了芝加哥大学龙漫远教授和其学生艾米丽·莫尔托拉（Emily Mortola）发表在著名科普杂志《美国科学家》（American Scientists）上关于基因起源研究的一段经历。作者以亲身经历生动地描绘了科学史上关于基因起源假说横跨半个多世纪的争论。从这一文章，读者可以管窥，在科学研究过程中，随着技术发展，科学家对于客观规律的认知如何不断地自我矫正和发展。

基因是一段可以按三联密码编码成蛋白的DNA片段，是维持生命基本构造和功能的基本单元。然而，并非基因组上的所有DNA片段都能编码成蛋白。

以人类基因组为例，我们的基因组大约有30亿个碱基对，我们平均一个蛋白长度大约300个氨基酸，也即900个碱基。假如我们的基因组上所有碱基都能编码成蛋白，那么理论上人类应该有几百万个基因。然而随着我们对自身基因组的了解，人类基因组上能够编码成蛋白的基因数目已经下调到目前比较公认的21000个左右。这意味着我们的基因组近98%的DNA序列是不会编码成蛋白的序列，而这些序列往往被认为是无用的垃圾序列。

此外，不同的物种含有不同数量的基因。比如鸟类大约含有17000个基因，而水稻大概有4万多个基因。物种间基因数量的差异提示物种分化的过程不断有新的基因产生。

这些新产生的基因为自然选择提供了新的遗传物种，并在物种分化和对环境的适应过程中发挥着重要作用。而这些年轻基因也恰好为我们揭示基因起源的基本途径以及起源后的演化过程提供了重要的研究材料。

在人类基因组数据公布之前，主流观点基本认同法国遗传学家、1965年诺贝尔生理学或医学奖得住弗朗索瓦 · 雅各布（François Jacob）和日裔美籍演化生物学家大野乾（Susumu Ohno）所提出的“新基因主要由原先已经存在的基因直接或者复制后变异形成，其功能既不太新也不太重要”。而这一观点基本排除了年轻基因从无到有( de novo )演化形成的可能。

而相比于其他新基因产生机制，从无到有的演化机制无疑是最吸引人同时也是最难形成基因的一种方式。因为从一串完全随机无序的非编码序列演变成可以符合三联密码结构的蛋白读码框同时还可以被转录和翻译，这需要有非常多的巧合事件才可能形成。

这些巧合事件的存在需要至少两个重要前提：

一是物种在演化的某个时间段存在极高的突变速率，为促使这些巧合事件的发生提供可能；

二是该物种承受着巨大的自然选择压力，为新蛋白形成之后能够快速在群体里扩散这一新的基因型提供条件。

所幸，正如美国古生物学家乔治 · 盖洛德 · 辛普森（George Gaylord Simpson）所提出的，生命的演化速率并非一成不变，某些物种类群在某些特殊的演化节点会出现快速分化和变异的过程。如同人类社会的历史长河里，我们既可以看到屹立千年亘古不变的欧洲城市，也可以看到像海南三亚一样在短短30年内由小渔镇发展成高楼林立的国际都市。为提高发现从无到有这一新基因起源机制的可能性，需要尽量寻找到某个经历过快速变异的物种类群作为研究对象。

为此，龙漫远团队创造性地利用经历过人工驯化的栽培稻作为研究对象来攻克这一难题。

一方面，从野生稻被驯化为栽培稻，只经历了短短数千年的历史。另一方面，人类对水稻经济性状的选择偏好在水稻基因组上形成了巨大的选择压力。最终，果然在水稻驯化过程中，龙漫远团队成功发现了大量由非编码序列演变而成的新蛋白编码基因，论证了从无到有这一机制对产生新基因具有不可忽略的重要贡献。

龙漫远团队这一发现的成功不仅得益于对研究材料的敏锐觉察，更离不开多学科的协作和新技术的发展。假使没有基因组学和蛋白质组学新技术的出现，我们将难以捕捉到水稻基因组在几千年这一演化历史上极其短瞬时间内的变化过程。

诺贝尔生理学或医学奖得主悉尼 · 布伦纳（Sydney Brenner）睿智地提出，科学的进步有赖于新技术推动新的发现，进而推动新思维的产生。这一点，在这篇文章里可见一斑。

在中国传统学科认知里，往往会误认为演化生物学研究的对象是古老的物种演化历史事件。然而生命的演化不仅关乎过去，我们当下的世界也非演化的终点，而只是生命漫长演化过程中最近的一瞬。

随着新基因组学等其他生命科学领域各种技术的发展，我们不仅能够利用编码生命基本信息的基因组数据回溯过去30多亿年波澜壮阔的生命演化历史，也能够捕捉到人类在内的所有生物在当下随着环境变化的演变过程。

对生命现象的全面理解，不仅需要我们知道哪个基因、哪个器官如何调控某种疾病和表型，也需要我们从演化的角度更深层次地理解每种疾病和表型如何演化形成，为什么会演化形成。

对于生物演化历史基本规律的探究，是生命科学研究最基础的部分。虽然大部分生命演化规律当下无法直接帮助治疗疾病，解决人类社会当下最紧迫的问题。然而，如同龙漫远团队所揭示的，这些传统认为没有用的DNA序列，在生命演化过程中的某个节点为特定物种的演化过程提供重要的遗传基础。如果不从演化角度思考，我们将很难理解为何我们身上携带如此多的垃圾DNA。对生命演化过程和规律深入了解，必将加深我们对生物体每个基因、每种功能、每种性状和每种疾病演化历史和形成动因的理解。

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