[中配]遺傳密碼的演變：我們失去的基因

在1972年的一篇論文中 遺傳學家小野靜一 這位分子進化領域的早期領軍人物寫道 而就在我們測序人類基因組的幾十年前 小野說的是對的 在你的基因組中埋藏着分子化石 那些已經破損到無法再發揮作用的DNA片段 其中一個可以在你的第八號染色體上找到 它被稱爲GULOP 以前對我們的早期靈長類祖先 有着相當重要的作用 這使它們具備了合成維生素C的能力 但這一切在大約6100萬年前的古興世時期結束了 當時其中一種早期靈長類動物的DNA發生了變化 這個基因實際上已死 變成了一個僞基因 一個非功能性的分子化石 這對我們的血脈來說是一個關鍵時刻 現在我們家族樹上另一條主要枝系的更遠親屬 比如狐猴仍然能夠合成自己的維生素C 和其他大多數脊椎動物一樣 它們的分支在GULOP變爲假基因之前 就和我們的分支分開了 但自從GULOP死亡以來 我們這條靈長類動物家族譜系中的 豚猴、猴子和猿類 不得不從我們所吃的食物中獲取維生素C 如果飲食中缺乏這種維生素 我們就有可能遭受壞血病等疾病的困擾 而GULOP並不是我們身上唯一的失活基因 它們有成千上萬 而我們纔剛開始揭開它們的故事 但有一點已經很明確 我們不僅是通過在進化過程中 獲得的基因來定義的 還包括我們在途中失去的基因 我們基因組中有超過90% 實際上並不編碼任何東西 在這些非編碼DNA中 像骨骼和岩石一樣 埋藏着化石化的假基因 這些序列曾經活躍 但如今基本上已經死亡 只有少數例外 我們現在在基因組中 找到了大約2萬個這樣的基因 這與我們仍然活躍的基因數量相當 我們知道許多這些假基因來自哪裏 在許多情況下 它們是古代基因重複事件的結果 當一個基因複製成兩個相同的子基因時 發生這種情況 其中一個拷貝死亡 只留下一個功能性拷貝 其他的如Golub一樣 是單一的假基因 基因組中只有一個這樣的基因 當它消亡時沒有備份 所以它的功能就lost了 那麼基因是如何消亡的呢 簡短的回答是突變 突變在我們的DNA中時刻隨機發生 它們絕對是正常的 且是新變異的來源 而變異是進化的原材料 偶爾突變會發生在基因的特定位置 使其失火 從而阻止其攜帶的指令被翻譯成蛋白質 這就是大約6100萬年前 發生在Golub身上的事 一個突變使它失去了活性 關閉了它合成維生素C 所需的關鍵酶的能力 沒有這個酶 我們的祖先無法合成維生素 這也是進化運作更大途徑的一部分 如果導致基因失火的突變 降低了生存和繁殖能力 極有機體的適應性 自然選擇會通過選擇那些 攜帶突變的個體 來消除這種突變 這個過程使有用的基因 保持不受突變影響 但如果基因的喪失不降低生存能力 那麼這種突變就可以在一個種群中 傳播開來 這可能發生在一種 叫做基因漂移的隨機過程下 也可能通過自然選擇實現 最終突變的基因可以固化 意味着它是物種基因庫中 在GULOP的案例中 我們並不知道它的消亡 是否提高了適應度 但它可能並沒有降低適應度 當它失去活性時 我們的早期祖先 可能已經通過吃水果 攝取了大量維生素C 隨着熱帶森林在古興世期間的擴展 以及果實植物的不斷多樣化 這一資源變得愈加豐富 有人認爲對於那些靈長類動物來說 失去維生素C基因並不是大問題 因爲它們可以很容易 從環境中獲得維生素C 所以基因的消亡不一定是壞事 它爲進化創造了機會 這在不同的環境和生態背景下 甚至可能是有益的 而GULOP絕對不是 我們最後一個適能的基因 大約在4400萬年後 在早期中興世時期 我們的類人猿祖先又失去了一個基因 這個基因編碼了一種叫做尿酸酶的蛋白質 這是一種由從細菌到哺乳動物的 生物產生的古老酶 像我們這樣的猿類是個例外 尿酸酶的功能是分解尿酸 它是代謝的廢產品 大約在1700萬年前 UOX通過分子年代 測定成爲僞基因 猿類失去了這種酶基 現在唯一剩下的UOX 而且像GULOP一樣 它的消失至今對我們仍然有一些影響 例如人與其他現存的猿類 血液中的尿酸水平都很高 它們的尿酸水平比其他仍然擁有功能性尿酸酶 並能有效分解酸的哺乳動物高出3到10倍 這意味着我們可能會得痛風 這是一種尿酸在血液中積聚 形成晶體 沉積在關節中 引起疼痛和腫脹的疾病 那麼我們是如何 以及爲什麼失去如此有用的基因的呢 爲了弄清楚這一點 2014年一個研究團隊 使用一種叫做祖先序列重建的技術 研究了古代哺乳動物的尿酸酶 通過比較今天生活的哺乳動物中 尿酸酶的基因和蛋白質序列 它們能夠逆向推導出古代尿酸酶基因 和蛋白質在不同歷史時期的序列 然後大家做好準備 因爲這聽起來像是科幻小說 它們在實驗室裏通過合成技術復活了 這些古老的尿酸酶蛋白 它們隨後對復活的蛋白質 進行了一系列實驗 以檢驗其是否有效 結果發現它們復活的 最古老的尿酸酶蛋白 追溯到9000萬年前 確實非常擅長處理尿酸 然而大約在4000萬年前的 中漸新式尿酸酶已經出現了 使其效率降低的突變 在接下來的2000萬年裏 來自漸新式和早中新式時期的 靈長類動物尿酸酶的效率更低 因此UOX基因在大約1700萬年前 變得不活躍 實際上只是一個延續數千萬年的 突變系列中的最後一步 爲什麼你的情況隨着時間的推移 逐漸失效 仍然是一個謎 但有證據表明 UOX衰退的最後階段 可能給我們的祖先帶來了進化優勢 你看UOX的消亡發生在 地球氣候變冷的時期 對於以水果爲食的原類祖先來說 這是一件壞事 這意味着水果不在全年都能得到 夏天會有很多 但冬天就很少了 大量尿酸的少數優勢之一 是它會刺激從水果中 常見的糖分果糖生成和積累脂肪 有學者假設活性降低 並最終失去活性的尿酸酶 使我們的原類祖先在水果豐盛的時期 更容易儲存脂肪 並在資源匱乏的時期 爲了驗證這個想法 研究人員在實驗室中 將復活的古老尿酸酶 插入了人類細胞中 果然他們發現當細胞攝入果糖時 與正常的人類細胞相比 它們將糖轉化爲脂肪的能力更差 正常細胞中沒有活性尿酸酶 因此有證據表明 UOX基因及其編碼的酶的喪失 可能爲我們的血統帶來了生存優勢 在遺傳學中 有時候少即是多 如果你注意到 我們談論的所有基因都與食物有關 那是有很好的原因的 食物的可獲得性 是生物面臨的最重要 和變化最快的壓力之一 因此我們的飲食變化 在塑造基因組方面發揮了巨大作用 在我們的味覺受體中 我們再次看到了這一點 這是一個動態的基因組群體 讓脊椎動物能夠感知不同的味道 它們的出生和死亡 與一種生物的飲食變化緊密相關 例如在以全肉飲食爲主的 食肉動物基因組中 我們常常看到甜味受體基因已經死亡 變成了假基因 作爲雜食動物 我們人類擁有相對全面的味覺受體基因 我們對所有主要的味覺類別 都能很好的識別 甜、酸、鮮、咸和苦 在這一組苦味味覺受體中 我們發現了一些最近的僞基因 現在我們的DNA中包含25個 正常運作的苦味受體基因 它們中的每一個都被認爲 與品嚐特定類別的化合物有關 數百萬年來 它們幫助我們的祖先辨別 哪些植物可以食用 哪些可能有毒 我們也失去了一些 我們攜帶着11個失效的苦味受體僞基因 其中兩個是相對叫近期消亡的 發生在我們與黑猩猩和窩黑猩猩的 最後共同祖先之後 我們知道這兩個基因 在我們與尼安德特人和丁尼索瓦人 分開之前就已經消亡 大約在50萬到60萬年前 因爲它們的基因組中 也含有相同的兩個假基因 且具有完全相同的失活突變 所以這些基因很可能在我們 一個共同的祖先中消亡 而它們的分子化石 被我們三組共同繼承 那麼這兩個苦味味覺受體 究竟發生了什麼呢 我們在過去幾百萬年的進化中 飲食習慣發生了巨大變化 我們開始吃更多肉 最終學會了用火烹飪 這常常使植物食品的毒性降低 我們對食物來源的文化知識 變得越來越複雜 能夠通過語言傳播這些信息 而所有這些變化可能意味着 隨着時間的推移 辨別苦味植物化合物的能力 變得越來越不重要 當這兩個苦味受體基因 突變並失效時 沒有足夠的進化壓力來拯救它們 它們的假基因就成了我們物種 以及我們最近的親戚 共同擁有的分子化石 進化基因組學 仍然是一門年輕的科學 我們對攜帶的 成千上萬的死亡基因的理解 將隨着時間的推移而不斷增長 但已經很明確 基因組不僅僅是 它也是一種歷史記錄 是一個充滿已滅絕基因的分子化石牀 以構成我們DNA的 A、T、C和G的形式 保存着我們的進化遺產 我們的味覺受體多年來 幫助了我們人類很多 比如苦味 幫助我們判斷植物的毒性 那麼鮮味和酸味呢 想了解更多 請觀看我們關於發酵的那一集 感謝本月的Eontologists 保持在Eon基因組中的活躍 肖恩、丹尼斯、傑克哈特、安妮 與埃裏克·希金斯、約翰、戴維森 吳以及帕特里克·塞菲特 成爲Eonite訪問 Patreon Comsint享受有趣的特權 比如提交笑話讓我們閱讀 像斯蒂芬·奧利裏說的這句 化石化是一個沉積的旅程 嗯 真可愛 一如既往 感謝你們與我一起加入 康斯坦丁·哈塞工作室 請訪問youtube.com 訂閱以獲取更多進化冒險