如何快速“发家致富”?基因组用了这种高招
2019-09-11 09:30:00 来源:科普中国

作者:卢平

编辑:Yuki

从数十亿年前的原始单细胞生物开始,地球生命的演化之路就充满着革新:细胞核形成——有性生殖发生——多细胞生命出现——组织分化——器官形成——由海生到陆生……在枝繁叶茂的生命之树上,无数新的功能和结构让众多物种能够适应不同的环境和资源,各居其位。而所有这些创新的根源,几乎都来自于每个细胞中的一套基因组中。

基因组本身是DNA分子长链,可比作一串ATCG四种碱基组合排列成的信息序列,其中的一段段功能单位就是我们常说的基因。在演化过程中,新功能的实现往往需要新的基因,那么,基因组中这些实现新功能的基因是从哪儿来的呢?

一生二,二生三,三生万物

要制造一段有完整功能的复杂基因,“白手起家”肯定是很难的——如果凭借随机突变从无意义的序列中创造新基因,过程将会极其漫长,难以满足生物体适应环境变化的需求。不过,虽然从无到有难以实现,但从现有基因中“复制+粘贴”就会容易许多。新基因产生的一类重要机制,就是基因复制(gene duplication)。

这里讲的基因复制,与DNA复制(DNA replication)的概念不同。基因复制是指一段基因序列在基因组中拷贝数的增加,这种现象可能由细胞分裂时基因组复制过程的错误导致,也有可能是由于某些逆转录特性的因子把DNA片段插回到了基因组中。这种复制事件的规模最大可到整个基因组或者一条染色体,也可以小到几个基因或者一段基因残片。

  

同一条染色体上发生的串联复制(tandem duplication)事件,一个染色体区域变成了头尾相接的两份 | wikimedia,汉化:卢平

在随机突变的破坏下,大多数复制产生的基因拷贝都沦为了“垃圾序列”,但也有些拷贝为新基因新功能的产生提供了优良材料——它们自身带有基因表达所必需的基本结构,能指导合成蛋白质。如果这样一段序列在“沦落”之前恰巧获得了有益的突变,使得所合成的蛋白质有了执行新功能的“苗头”,那它就有可能在自然选择中得以保留,并继续改造成崭新的基因。

基因复制产生功能分化,很可能是演化历史中塑造基因组的重要力量。

阴阳两仪,各取所需

有性生殖是生命历史中的一大创新和挑战:同一个基因组需要指导完成雌雄两套生殖系统的发育和执行功能。这两套系统既是同源又男女有别,意味着它们需要执行的功能类似,但又不可能完全一样。如果用同一个蛋白去在雌雄两性中勉强实现这样两个类似功能,最后很可能是按下葫芦浮起瓢,两头落不着好。

那么,在演化中,这样两套系统是如何逐步完善的呢?

你可能已经想到了:基因复制产生的两个基因拷贝,正好可以作为新功能演化的起点,雌雄两性各使用一个,也不必再打架了。去年,芝加哥大学的Nicholas VanKuren博士和华裔演化生物学家龙漫远教授就在黑腹果蝇中发现了这样一个有趣的例子——在短短二十万年的时间里,一个基因复制事件为果蝇的两个性别分别提供了适合于自己的功能基因[1]。

  

VanKuren博士和龙教授发现的基因复制事件示意图,图中绿色的基因在复制后多出了一个拷贝。注意由于复制事件的边界并不会恰好落在基因之间,所以两旁橙色和紫色的基因各自被复制了一部分接在了一起 | Fig 1a. VanKuren and Long, 2018, Nature Ecology and Evolution

这个所谓的“串联复制”事件发生在黑腹果蝇的三号染色体长臂上——两个序列相似的基因拷贝在基因组中几乎头尾相接地“串联”在一起;而在与黑腹果蝇亲缘关系很近的两个物种中,对应的基因组位置只有一个拷贝,所以这个基因在黑腹果蝇中一定发生了一次“复制事件”。从序列相似度可以推断,这个复制事件大约发生在二十万年前,从演化尺度来看并不算久远 。复制事件之后,两个拷贝都经历了自然选择,表明它们都维持或者产生了特定的功能。

那么这两个拷贝都各自负责干什么呢?

探究基因功能的传统方法就是对基因进行“敲除”,看看如果没有这个基因,生物体会产生什么缺陷。Nicholas和龙教授发现,分别敲除两个基因拷贝都不会在黑腹果蝇中产生致命的后果,但是,其中一个拷贝的缺失会导致雄性不育,而缺了另一个拷贝则会导致雌性不育。看来,这两个基因分别在雄性和雌性的生殖功能中有着关键性的作用。

古希腊传说,月亮女神阿尔忒弥斯和太阳神阿波罗是孪生姐弟。这两个基因因此被命名为阿波罗(Apl)和阿尔忒弥斯(Arts)。正如神话中阿尔忒弥斯为弟弟接生一样,Apl基因看起来是Arts基因的复制产物。

进一步的细胞学实验揭示:Apl基因缺失时, 雄性黑腹果蝇的精子在产生后无法与肌动蛋白相互分离;而Arts基因缺失时,雌性黑腹果蝇本应是米粒形状的卵细胞变得浑圆,细胞膜似乎更厚。考虑到精子的成功分离和卵细胞的形态维持都需要肌动蛋白(actin)正常工作,Apl和Arts很可能是负责在细胞核和细胞质间对肌动蛋白进行运输的转运因子。

  

a,b:正常的黑腹果蝇精子和敲除Apl后的精子,排列和组成都有差别,红色部分为肌动蛋白组成的锥体,参与精子之间的分离。c,d:正常的卵细胞和敲除Arts的卵细胞。e,f:正常卵细胞中有序的肌动蛋白网格结构和敲除Arts后卵细胞的肌动蛋白网格结构 | 参考文献1,Fig 5-6.

甲之蜜糖,乙之砒霜

如此相似的功能为何不用一个基因来完成呢?实验证明,Apl基因对雄性生殖来说必不可少,但是对雌性来说敲除了Apl反而能更加能多生养;Arts基因则正相反,是雌性必需但对雄性不利。这是一幅利弊相衡的演化图景:雄性黑腹果蝇和雌性黑腹果蝇在产生生殖细胞时,分别对肌动蛋白的转运功能有着不同的要求。为雄性而优化的Apl 蛋白在雌性生殖系统中的表达对雌性生殖是有害的,同样地,本应雌性专用的Arts蛋白在雄性生殖系统中出现时,也会对雄性不利。

解决之道就是让两个基因只在合适的时机“上线”。既然Apl对雌性不利,那么雌性黑腹果蝇如果能通过调控机制来阻止Apl行使功能想必是极好的。不出意料地,Apl在雌性黑腹果蝇卵巢中的表达(蛋白合成)量已降得很低;而与之相仿,Arts在雄性睾丸中也几乎保持“沉默”。通过发展性别特异的调控机制,演化过程分别逐步减少了两个基因在“另一个性别”中的活跃程度,尽量避免两性需求的冲突。至于如何在合适的性别和器官中激活对应的基因,那就是性别决定机制和性染色体的任务了。

在演化尺度上,二十万年转瞬即逝。Apl在雌性中的表达和Arts在雄性中的表达,在未来也许会继续优化,让雌雄黑腹果蝇都能更好地生殖,完成基因复制后这个所谓的“新功能化”(neofunctionalization)过程。令人惊奇的是,Apl和Arts基因在复制前那个“共同祖先”基因,在另外三个果蝇属的物种中也发生了基因复制,复制出的拷贝同样表现出了性别特异的表达模式。这个基因通过复制解决性别冲突的案例,很可能在果蝇家族中已经多次上演,不同的物种殊途同归,形成了这样的趋同演化模式。

在神话中,阿尔忒弥斯爱上了猎人俄里翁。而阿波罗却因反感这段感情,用计让姐姐误杀了恋人,以致姐弟龃龉。后来二者东升西落,互不相见,也算回避了矛盾。

众神的冲突是古希腊神话的魅力之源,也是现实世界的观照。阿波罗姐弟这样同源却又反目的微妙关系,正如基因复制和性别演化中各种力量的碰撞交织 。演化不是用进废退,更不能一蹴而就,而是面对着互相矛盾的生命需求,靠着无数次的随机事件, 从偶然走向必然,让生命向着更适应的方向前进,永不止息。

  

古希腊阿提卡地区的陶瓶画,描绘了阿尔忒弥斯和阿波罗姐弟 | Wikimedia ,Marie-Lan Nguyen

  

  作者名片

  

排版:Yao

题图来源:《霍比特人:五军之战》

参考文献:

[1] VanKuren, N. W., & Long, M. (2018). Gene duplicates resolving sexual conflict rapidly evolved essential gametogenesis functions. Nature ecology & evolution, 2(4), 705.

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