我們身體中，有這樣一類基因，它們沒有任何明顯的“祖先”，就好像是憑空出現(xiàn)一樣?？茖W(xué)家正在全力以赴、追蹤著它們的來龍去脈。
(相關(guān)資料圖)
沒有家族譜系的“孤兒基因”
沒有家庭擋風(fēng)遮雨的生活，可以說是步履維艱的。由于各種不幸的原因，一些孩子在很小的時候便成為了孤兒，他們要付出千百倍于常人的努力與命運抗戰(zhàn)，迎難而上去激發(fā)自己的潛能。而這些孤兒中的佼佼者，比如亞里士多德和史蒂夫?喬布斯，有時竟能改變這個世界。
誰又曾想到過，我們的DNA也和那些棄嬰們有著相似的情況呢?當(dāng)生物學(xué)家開始排列基因組時，他們發(fā)現(xiàn)，人體內(nèi)的基因片斷中，有超過三分之一的部分既找不到與它們同源的基因，也沒有發(fā)現(xiàn)它們的演化史——看上去既沒有“父母”，也沒有任何“親屬”，就像是不知道從哪里冒出來的“孤兒”。但是你可千萬不要小看它們，要知道在這些“孤兒基因”中，擁有不少“成就甚偉”者，它們之中甚至有一部分在人類大腦的進(jìn)化過程中，扮演了相當(dāng)重要的角色。
我們知道，生物體內(nèi)大部分基因都來自于幾個大的基因家族，而且每個基因家族都有悠久的歷史，可以追溯到千百萬年前共同的祖先，然后不斷變異演化，形成龐大的基因家族。以脊椎動物眼睛里的視蛋白基因為例，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，從水母到昆蟲，許多的動物身上，都有著與人類相似的視蛋白。動物王國中成千上萬種不同的視蛋白基因都是通過復(fù)制，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)化而成的，它們都源于7億年前一個共同祖先的一個基因!
早在上世紀(jì)70年代，就有科學(xué)家提出，基因復(fù)制出錯時可能變異出一個新的基因，并由此逐漸產(chǎn)生整個有著同一祖先關(guān)系的基因家族。這個過程就好像動物界中，經(jīng)過一段漫長的時間，一個物種分化出眾多具有較近親緣關(guān)系的不同物種，形成“物種大家族”。
可是，那些不屬于任何基因家族的單個“孤兒基因”是怎么回事呢?一些科學(xué)家猜測，孤兒基因是遺傳學(xué)上的活化石，類似于動物界中的腔棘魚，是一個古老基因家庭遺留下來的僅存的成員;另一些科學(xué)家則認(rèn)為，這些孤兒基因并沒有什么特別，只不過是一些親緣基因還未被人們發(fā)現(xiàn)的普通基因罷了，畢竟，人類對于全部基因組的探索也才剛剛開始。
如此多的“孤兒”
但是，隨著越來越多的生命體的基因組被成功排序，孤兒基因現(xiàn)象普遍存在，基因中相互之間的“親緣關(guān)系”反而被證明是例外，而不是常規(guī)情況。迄今為止，所有的基因組序列中都發(fā)現(xiàn)了“孤兒基因”的存在，從蚊子到人類，從蛔蟲到老鼠，而它們的數(shù)量也在持續(xù)增加著。
正如前文所說，這些孤兒基因在生物體內(nèi)發(fā)揮著極為重要的作用，它們有的充當(dāng)修復(fù)DNA組織結(jié)構(gòu)的角色，有的可以控制其他基因活動的作用。比如，在昆蟲身上有一種孤兒基因，可以幫助昆蟲生成一種“肌翼蛋白”，進(jìn)化出輔助飛行的能力;還有果蠅身上的孤兒基因，有助于果蠅覓食習(xí)性的形成;在珊瑚和水母身體中的孤兒基因能夠幫助蟄刺細(xì)胞的發(fā)展，蟄刺細(xì)胞可以發(fā)射出充滿毒液的囊體攻擊獵物，使之昏迷;在淡水水螅體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的孤兒基因則能操縱引導(dǎo)水螅的觸手將食物送到它們的嘴中;而極地鱈魚體內(nèi)的孤兒基因，則是一種很特別的防凍基因，讓它們能夠在酷寒的北極地帶得以生存。
有意思的是，孤兒基因在生物的腦部區(qū)域表達(dá)得最充分?？茖W(xué)家們對人類、黑猩猩以及猩猩體內(nèi)的198種孤兒基因進(jìn)行了鑒定，這些孤兒基因與掌管其高級認(rèn)知能力的區(qū)域——前額皮質(zhì)的表達(dá)有著密切聯(lián)系。這些孤兒基因中，有54種為人類所獨有。從進(jìn)化論角度看，這54種基因非常年輕，還不到2500萬歲，而它們的出現(xiàn)時間似乎與靈長類動物大腦區(qū)域的擴(kuò)張過程完全吻合。這意味著，這些孤兒基因直接促成了人類最偉大的進(jìn)化——人類大腦的進(jìn)化。
另一個生物學(xué)實驗也證實了孤兒基因與大腦的關(guān)聯(lián)。生物學(xué)家將一種在人類大腦中得以表達(dá)的孤兒基因移植到發(fā)育中的小鼠身上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種基因雖然沒有使小鼠的大腦變得更大，但是它卻真的促使神經(jīng)細(xì)胞上的樹突排列得更為密集，而樹突的作用則是使神經(jīng)能夠與自己的“鄰居”交流聯(lián)系。如果這種聯(lián)系越多，大腦擁有的計算能力也就越強(qiáng)大。這個實驗說明，孤兒基因在動物大腦發(fā)育過程中起到了重要作用。
追蹤“孤兒基因”的起源
但是這些孤兒基因到底從何而來?有科學(xué)家提出，孤兒基因也是由其他基因復(fù)制而成的，但是在形成之后，它們快速地開始進(jìn)化演變，最終所有與源基因相似的特征全部消失了。為了證實這一猜測，科學(xué)家對果蠅進(jìn)行了實驗觀測，發(fā)現(xiàn)孤兒基因的進(jìn)化速度的確是非孤兒基因的三倍之多。
雖然這種推測看似有理有據(jù)，但是之后又有研究表明，這一推測僅僅能夠解釋極少一部分孤兒基因的起源。也就是說，雖然快速進(jìn)化過程對孤兒基因的形成非常重要，但卻并不是全部的事實。因此，另一部分科學(xué)家猜測，就像是很多草根的奮斗史一樣，這些孤兒基因也是“白手起家”的，是從生物體內(nèi)大量存在的垃圾DNA中隨機(jī)生長出來的。但是，從無用的垃圾DNA飛躍到有用基因被認(rèn)為是一件艱巨到不可能完成的任務(wù)，因此，這個猜測并不能讓主流科學(xué)家信服。不過，人們顯然忘了，自然界中沒有什么是不可能的，很快，科學(xué)家陸續(xù)在酵母、大米、小鼠和果蠅身上找到了基因“白手起家”的證據(jù)。2009年，愛爾蘭都柏林大學(xué)的科學(xué)家證明了人類身上的3個孤兒基因的確是從一無所有中被創(chuàng)造出來的。2011年，另一個研究小組更進(jìn)一步地描述了60種人類孤兒基因從無到有的形成過程。從此之后，越來越多的研究顯示，從垃圾DNA中脫胎換骨、重新組合的孤兒基因不在少數(shù)。
當(dāng)然，無用的基因重新組合形成新的基因，可不是上嘴皮碰下嘴皮那么簡單就能成功的，它怎樣才能成為可能呢?科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，孤兒基因大都與已有的基因毗鄰或稍稍重合，這樣一來，孤兒基因就有可能向那些正常運行的基因“借用”部分序列，以使自己轉(zhuǎn)化成有用的基因。研究人員分析了270個取自靈長類動物身上的孤兒基因，它們中有半數(shù)從跳躍基因中獲得了部分序列，那些轉(zhuǎn)座子就像寄生物一樣能夠在基因組中跳來跳去，正是在這過程中，它們被孤兒基因利用了。
對于孤兒基因，我們還有許多需要繼續(xù)探索發(fā)現(xiàn)，但是我們現(xiàn)在已經(jīng)開始追蹤它們祖先的痕跡了?？雌饋?，我們找不到大多數(shù)孤兒基因的家人，是因為它們本來就沒有家人。它們出身于一大堆看起來毫無用處的垃圾DNA——猶如人類世界里從垃圾里撿起的沒有身世的孤兒——完全憑著自己的奮斗，成了基因世界的棟梁之才。
