一個持續(xù)100多年的謎題告破：生命為何能持續(xù)演化？

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100多年前，遺傳學(xué)家發(fā)現(xiàn)了生殖細(xì)胞中存在染色體重組的現(xiàn)象。這像是一種緩慢但平穩(wěn)的演化方式，通過每一代生物，讓基因組變得更具多樣性。但就算是一個堿基出現(xiàn)異常，也可能會導(dǎo)致疾病。直至近期，科學(xué)家才弄清楚生物是如何精確控制這個過程的。

撰文 | 石云雷

審校 | 吳非

有性生殖的優(yōu)勢

20世紀(jì)最有影響的遺傳學(xué)家之一、諾貝爾獎獲得者赫爾曼·約瑟夫·馬勒（Hermann Joseph Muller）曾提出過一個理論，名為馬勒的齒輪（Muller's ratchet）。作為一個利用X射線研究基因突變的科學(xué)家，他表示有性生殖相比于無性生殖有一個很大的優(yōu)點(diǎn)：有性生殖的生物在產(chǎn)生配子時，會經(jīng)歷一個減數(shù)分裂的過程，這個過程能幫助生物修復(fù)嚴(yán)重的DNA損傷。

赫爾曼·約瑟夫·馬勒（圖片來源：諾貝爾獎官網(wǎng)）

在這個過程中，染色體會先復(fù)制一次，隨后細(xì)胞會分裂兩次，也就是一個母細(xì)胞最后會產(chǎn)生4個子細(xì)胞。在第一次分裂時，母細(xì)胞中來自兩個親本的染色體會相互配對，它們互為同源染色體。如果一條染色體存在雙鏈都受損的情況，染色體之間可以通過交換、重組來修復(fù)損傷。而在無性生殖的生物中，由于無法進(jìn)行重組，由DNA損傷等情況導(dǎo)致的基因突變會不斷累積，最終導(dǎo)致生物死亡。（當(dāng)然后期的研究證實(shí)，一些采取無性生殖的生物如細(xì)菌，也能通過其他的方式來有效修復(fù)DNA損傷，因此馬勒的這一觀點(diǎn)可能并不正確。）

減數(shù)分裂時，同源染色體之間會發(fā)生重組。（圖片來源：維基百科）

馬勒提出這個觀點(diǎn)，與其師從的基因?qū)W說建立者托馬斯·亨特·摩爾根（Thomas Hunt Morgan）利用果蠅開展的遺傳學(xué)研究有關(guān)。在1916年，他還注意到在果蠅體內(nèi)，具有相似的基因組成、能相互配對的染色體之間進(jìn)行片段交換，并不只是為了修復(fù)受損的基因，還能進(jìn)行基因重組，使得各個子代的基因組成并不相同。但是，科學(xué)界一直并不完全完全清楚基因重組產(chǎn)生的具體機(jī)制。

每一代都在演化

基因突變、基因重組都能促使物種演化。對細(xì)菌和病毒等來說，它們繁殖能力強(qiáng)，在面對外界壓力時，可以通過快速的基因突變來演化。經(jīng)過外界壓力的篩選，一個種群可能只遺留下少數(shù)突變株，但由于其高效的繁殖能力，這些突變株又迅速形成一個新種群。

多細(xì)胞生物體內(nèi)也存在基因突變，但對它們來說，通過突變來演化并不是一條十分合理、具有效率的途徑。例如，人體內(nèi)會通過各種方式來修復(fù)基因的突變和損傷，已有的研究發(fā)現(xiàn)，很多基因突變都和各種發(fā)育缺陷、癌癥等多種疾病相關(guān)。對于有性生殖的生物來說，通過基因重組來擴(kuò)大后代的基因多樣性，雖然緩慢，但是一種穩(wěn)定且有效的方式。在這個過程中，一個常見的疑問是，為什么兩個同源染色體之間能精準(zhǔn)地交換同等大小的片段呢？

可以想象，如果交換的基因片段不相等，就會導(dǎo)致一場災(zāi)難。一個比較常見的例子，就是染色體易位（非同源染色體的片段重新排列組合，交換后會使染色體的長度發(fā)生改變），這個過程可能導(dǎo)致胎兒的染色體丟失，甚至導(dǎo)致流產(chǎn)等多種異常情況。由于參與有性生殖過程的基因在生物體內(nèi)就有保守性，一些科學(xué)家嘗試通過研究一些較為簡單的生物，來解答這個問題，以推進(jìn)對多種生物的演化、發(fā)育的認(rèn)識。而這次給出這個答案的，就是一種采取有性生殖的植物。

一種特別的植物

擬南芥（Arabidopsis thaliana）是一種體型十分嬌小的植物，其基因組較小，只有5對染色體，是一種典型的自交植物（采取有性生殖）。和它的“前輩”——孟德爾用于發(fā)現(xiàn)遺傳學(xué)規(guī)律的豌豆一樣——這種植物注定要改變?nèi)藗儗χ参锷飳W(xué)和遺傳學(xué)的認(rèn)識。

擬南芥的生長過程（圖片來源：https://elifesciences.org/articles/06100）

2012年，法國讓-皮埃爾·布爾然（Jean-Pierre Bourgin）研究所的科學(xué)家在此前研究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了一種新的蛋白HEI10（一種泛素連接酶），它屬于一類被稱為ZMM的蛋白。后者在減數(shù)分裂中主要負(fù)責(zé)調(diào)控同源染色體上的基因片段交換。此前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這類蛋白中的多種蛋白各有分工：一些蛋白負(fù)責(zé)將兩條染色體拉近，維持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，另一些促進(jìn)DNA的重組。

有一種猜想認(rèn)為，HEI10蛋白的功能會有所不同。它在染色體上的數(shù)量，能影響染色體進(jìn)行重組的次數(shù)，或能控制染色體發(fā)生重組的位點(diǎn)。近期，在一篇發(fā)表于《自然·通訊》的文章中，來自劍橋大學(xué)的研究人員為了驗(yàn)證這一猜想，通過超高分辨率的顯微鏡和數(shù)學(xué)模型，研究了擬南芥在減數(shù)分裂時期，其染色體上HEI10蛋白的行為。

在染色體重組過程中，HEI10蛋白的移動情況，從最開始的數(shù)百個小的聚集體，最終只富集在幾個位點(diǎn)。（圖片來源于論文）

他們發(fā)現(xiàn)，在最開始時，HEI10蛋白會把染色體當(dāng)成一條軌道，在上面隨機(jī)移動，形成很多小的蛋白聚集體。隨著時間流逝，HEI10蛋白移動到同源染色體形成聯(lián)會復(fù)合體的位點(diǎn)。這一結(jié)構(gòu)形成后，染色體之間才會進(jìn)行交換。HEI10蛋白移動到這個位置會被固定住，隨后，越來越多的HEI10蛋白會在同一個地點(diǎn)富集。最終，開始由HEI10蛋白組成的數(shù)百個小聚集體，變成了個位數(shù)的大聚集體。而在這幾個HEI10蛋白最為富集的位點(diǎn)，染色體會發(fā)生交叉、重組的現(xiàn)象。

當(dāng)增加植物體內(nèi)HEI10蛋白的表達(dá)時，細(xì)胞內(nèi)發(fā)生染色體重組的位點(diǎn)會增加，而重組位點(diǎn)之間的距離會更近。而將細(xì)胞中的HEI10蛋白的數(shù)量降低40%時，同源染色體只有一個聯(lián)會復(fù)合體區(qū)域會發(fā)生基因重組。研究人員認(rèn)為，細(xì)胞的聯(lián)會復(fù)合體區(qū)域是染色體進(jìn)行交換的候選位點(diǎn)，而HEI10蛋白在位點(diǎn)上累積的數(shù)量，才會決定基因重組是否發(fā)生。

在多種生物中存在

這種基因重組的模式在很多生物體內(nèi)（包括酵母菌、線蟲、果蠅和哺乳動物）都是保守的。此前，在一篇發(fā)表于《自然·遺傳學(xué)》的研究中，霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所的尼爾·亨特（Neil Hunter）教授等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)缺乏HEI10蛋白，小鼠體內(nèi)染色體重組的前期過程能順利進(jìn)行，但最終不會出現(xiàn)染色體重組，也就是說，HEI10蛋白在這一過程的后期具有決定性的作用。

這些生命都來自一個受精卵，而最初的這個細(xì)胞中的基因組，也決定了后面組成生物個體的每一個細(xì)胞中的基因組組成。無論是基因上堿基突變的修復(fù)、表達(dá)以及基因重組都需要經(jīng)過精密的調(diào)控，才能使生命得以存在、延續(xù)。但是，基因也十分脆弱，很多環(huán)境因素不僅能影響親代的基因、患病情況和壽命，還能通過基因的傳遞，來影響子代。

也就是說，一些不良的生活環(huán)境（空氣污染物、紫外線、重金屬和壓力等）和生活習(xí)慣（酗酒、吸煙和食用大量垃圾食品），不僅在影響我們?nèi)祟愖陨淼慕】?，可能正在改變我們最底層的基因。隨著未來生物技術(shù)的發(fā)展，一部分的有害影響或許可以被消除。但現(xiàn)今，我們每一個人得以擁有健康的身體，或許還得感謝家族譜系上的親人，以及體內(nèi)時刻都在認(rèn)真工作的各種細(xì)胞和分子。

《環(huán)球科學(xué)》