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如何快速“發(fā)家致富”？基因組用了這種高招

科普小知識(shí)演化黑腹果蠅基因復(fù)制基因組


如何快速“發(fā)家致富”？基因組用了這種高招



作者：盧平
編輯：Yuki
從數(shù)十億年前的原始單細(xì)胞生物開(kāi)始 ， 地球生命的演化之路就充滿著革新：細(xì)胞核形成——有性生殖發(fā)生——多細(xì)胞生命出現(xiàn)——組織分化——器官形成——由海生到陸生……在枝繁葉茂的生命之樹(shù)上 ， 無(wú)數(shù)新的功能和結(jié)構(gòu)讓眾多物種能夠適應(yīng)不同的環(huán)境和資源 ， 各居其位 。 而所有這些創(chuàng)新的根源 ， 幾乎都來(lái)自于每個(gè)細(xì)胞中的一套基因組中 。
基因組本身是DNA分子長(zhǎng)鏈 ， 可比作一串ATCG四種堿基組合排列成的信息序列 ， 其中的一段段功能單位就是我們常說(shuō)的基因 。 在演化過(guò)程中 ， 新功能的實(shí)現(xiàn)往往需要新的基因 ， 那么 ， 基因組中這些實(shí)現(xiàn)新功能的基因是從哪兒來(lái)的呢？
一生二 ， 二生三 ， 三生萬(wàn)物
要制造一段有完整功能的復(fù)雜基因 ， “白手起家”肯定是很難的——如果憑借隨機(jī)突變從無(wú)意義的序列中創(chuàng)造新基因 ， 過(guò)程將會(huì)極其漫長(zhǎng) ， 難以滿足生物體適應(yīng)環(huán)境變化的需求 。 不過(guò) ， 雖然從無(wú)到有難以實(shí)現(xiàn) ， 但從現(xiàn)有基因中“復(fù)制+粘貼”就會(huì)容易許多 。 新基因產(chǎn)生的一類重要機(jī)制 ， 就是基因復(fù)制（gene duplication） 。
這里講的基因復(fù)制 ， 與DNA復(fù)制（DNA replication）的概念不同 。 基因復(fù)制是指一段基因序列在基因組中拷貝數(shù)的增加 ， 這種現(xiàn)象可能由細(xì)胞分裂時(shí)基因組復(fù)制過(guò)程的錯(cuò)誤導(dǎo)致 ， 也有可能是由于某些逆轉(zhuǎn)錄特性的因子把DNA片段插回到了基因組中 。 這種復(fù)制事件的規(guī)模最大可到整個(gè)基因組或者一條染色體 ， 也可以小到幾個(gè)基因或者一段基因殘片 。
同一條染色體上發(fā)生的串聯(lián)復(fù)制（tandem duplication）事件 ， 一個(gè)染色體區(qū)域變成了頭尾相接的兩份 | wikimedia ， 漢化：盧平
在隨機(jī)突變的破壞下 ， 大多數(shù)復(fù)制產(chǎn)生的基因拷貝都淪為了“垃圾序列” ， 但也有些拷貝為新基因新功能的產(chǎn)生提供了優(yōu)良材料——它們自身帶有基因表達(dá)所必需的基本結(jié)構(gòu) ， 能指導(dǎo)合成蛋白質(zhì) 。 如果這樣一段序列在“淪落”之前恰巧獲得了有益的突變 ， 使得所合成的蛋白質(zhì)有了執(zhí)行新功能的“苗頭” ， 那它就有可能在自然選擇中得以保留 ， 并繼續(xù)改造成嶄新的基因 。
基因復(fù)制產(chǎn)生功能分化 ， 很可能是演化歷史中塑造基因組的重要力量 。
陰陽(yáng)兩儀 ， 各取所需
有性生殖是生命歷史中的一大創(chuàng)新和挑戰(zhàn)：同一個(gè)基因組需要指導(dǎo)完成雌雄兩套生殖系統(tǒng)的發(fā)育和執(zhí)行功能 。 這兩套系統(tǒng)既是同源又男女有別 ， 意味著它們需要執(zhí)行的功能類似 ， 但又不可能完全一樣 。 如果用同一個(gè)蛋白去在雌雄兩性中勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)這樣兩個(gè)類似功能 ， 最后很可能是按下葫蘆浮起瓢 ， 兩頭落不著好 。
那么 ， 在演化中 ， 這樣兩套系統(tǒng)是如何逐步完善的呢？
你可能已經(jīng)想到了：基因復(fù)制產(chǎn)生的兩個(gè)基因拷貝 ， 正好可以作為新功能演化的起點(diǎn) ， 雌雄兩性各使用一個(gè) ， 也不必再打架了 。 去年 ， 芝加哥大學(xué)的Nicholas VanKuren博士和華裔演化生物學(xué)家龍漫遠(yuǎn)教授就在黑腹果蠅中發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)有趣的例子——在短短二十萬(wàn)年的時(shí)間里 ， 一個(gè)基因復(fù)制事件為果蠅的兩個(gè)性別分別提供了適合于自己的功能基因[1] 。

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