怎樣從遺傳角度科學(xué)地證明你是你
Science125個(gè)科學(xué)前沿問(wèn)題解讀
話(huà)說(shuō)500萬(wàn)年前，一群猿與另一群猿一言不合，就地解散，從此分道揚鑣，各自走向了不同的道路。歲月如梭，轉眼就到了今天，一群猿進(jìn)化成了黑猩猩，而另一群猿脫掉了身上的被毛，裸露出皮膚成為“裸猿”，除此之外裸猿還慢慢站了起來(lái)，解放雙手直立行走，進(jìn)化出了巨大的腦容量，發(fā)展了豐富的文化和復雜的語(yǔ)言。故事講到這兒，想必大家都已經(jīng)猜出我們人類(lèi)就是所謂的裸猿。人類(lèi)與黑猩猩分歧后進(jìn)化出了很多獨特的表型，而這些獨特表型的幕后操縱者又是誰(shuí)呢？
《科學(xué)通報》2017年第13期特邀中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所宿兵研究員課題組為您解讀。
宿兵，中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所研究員, 理學(xué)博士, 博士生導師; 國家杰出青年科學(xué)基金獲得者。畢業(yè)于武漢大學(xué)生物系并于中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所獲博士學(xué)位, 曾在美國德克薩斯大學(xué)休斯頓人類(lèi)遺傳學(xué)中心從事博士后研究, 在美國辛辛那提大學(xué)醫學(xué)院任助理教授。從事靈長(cháng)類(lèi)比較基因組學(xué)及現代人類(lèi)起源和遷徙的研究。
每一種人類(lèi)特異的表型性狀的產(chǎn)生都不是一蹴而就的，通常都涉及到多個(gè)環(huán)節， 是一個(gè)非常復雜的過(guò)程，都是經(jīng)歷了進(jìn)化上百萬(wàn)年的積累最后形成的。例如，人類(lèi)大腦的進(jìn)化涉及神經(jīng)前體細胞的分化和遷移、軸突的導向、突觸的數量， 以及新的細胞類(lèi)型的產(chǎn)生等，每個(gè)環(huán)節的改變都伴隨著(zhù)很多遺傳變異的積累。通過(guò)比較人類(lèi)和其他非人靈長(cháng)類(lèi)基因組數據，研究人員已經(jīng)發(fā)現了眾多人類(lèi)特異的遺傳變異，這些變異使得我們成為我們。這些遺傳上的變異，大致可以分為4類(lèi): 基因編碼水平的改變、基因表達調控水平的改變、基因丟失和基因重復。這四個(gè)水平的遺傳變異，都可能對人類(lèi)特異表型的產(chǎn)生有貢獻。
“推動(dòng)力1”基因編碼水平的改變：蛋白質(zhì)版本升級
生物體幾乎所有功能的執行者都是蛋白質(zhì)，所以人們很自然的想到一種推動(dòng)人類(lèi)進(jìn)化的力量，即編碼蛋白的基因序列的改變。起初，人們認為只有編碼蛋白的基因序列才會(huì )起到功能作用，而這些相應蛋白功能的變化才會(huì )引起表型的變化，這就是蛋白質(zhì)進(jìn)化假說(shuō)。該假說(shuō)認為，基因編碼區序列的改變會(huì )導致編碼蛋白質(zhì)的改變，產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應。這種變化產(chǎn)生的蛋白新版本，有可能導致系統升級也有可能導致系統崩潰，因而受到自然選擇的作用被清除或者保存下來(lái)�，F在已發(fā)現很多基因的編碼區的`變異，與人類(lèi)獨特表型相關(guān)，比如和人類(lèi)腦容量相關(guān)的MCPH1和ASPM及“語(yǔ)言基因”FOXP2等。
“推動(dòng)力2” 基因表達水平的改變
作為生物功能的執行者，蛋白質(zhì)的序列與功能固然重要，但是蛋白的表達量亦是生物表型決定的重要因素。1969年科學(xué)家們就提出，物種間表型的差異可能主要是由于調控元件的改變造成的。研究人員通過(guò)比對不同靈長(cháng)類(lèi)的基因組序列, 定義了一批在人類(lèi)中加速進(jìn)化的區域, 而這些加速進(jìn)化的區域大多數都處在基因的調控區域，這也體現了基因調控區域的重要性。目前，研究者已經(jīng)驗證了一些調控區變異對人類(lèi)進(jìn)化的作用，如HACNS1作為增強子在下肢發(fā)育過(guò)程中具有重要的作用，這個(gè)增強子在人類(lèi)中的同源序列與黑猩猩和獼猴相比，具有更強的增強子活性，這可能暗示著(zhù)HACNS1在人類(lèi)直立行走中扮演著(zhù)重要的角色。近年來(lái), 研究者通過(guò)比較人類(lèi)和非人靈長(cháng)類(lèi)的多種組學(xué)數據發(fā)現表觀(guān)遺傳修飾、小RNA(microRNA)和長(cháng)非編碼RNA(lncRNA)等在人類(lèi)進(jìn)化過(guò)程中可能也具有重要作用。
“推動(dòng)力3” 基因丟失：是福還是禍？
盡管生物進(jìn)化似乎是向著(zhù)更復雜更高等前進(jìn)的，但進(jìn)化并不僅僅是某些功能的獲得，一些基因功能的丟失可能也能促進(jìn)生物的進(jìn)化。一些基因發(fā)生基因片段的丟失，或者通過(guò)添加或替換堿基導致基因不翻譯或提前終止翻譯, 使得基因失去功能或假基因化(gene loss)。1999年Olson博士提出Less-is-More 假說(shuō), 他認為基因丟失在人類(lèi)進(jìn)化過(guò)程中發(fā)揮重要作用。該假說(shuō)提出人類(lèi)通過(guò)一些關(guān)鍵基因功能的丟失，使人類(lèi)失去很多與猿類(lèi)相似的特征(如體表的毛發(fā)和寬大的下頜骨等)。
“推動(dòng)力4” 基因重復
除了缺失，基因重復在人類(lèi)進(jìn)化過(guò)程中也具有重要作用。人類(lèi)相較于其他物種存在大量特異的基因拷貝數變異。歸結起來(lái), 主要分為3類(lèi): (ⅰ) 最常發(fā)生的一類(lèi)，即基因重復之后，其中一個(gè)拷貝退化, 失去功能，因而對表型不會(huì )帶來(lái)影響； (ⅱ) 通過(guò)拷貝數的增加帶來(lái)基因劑量效應；(ⅲ) 通過(guò)復制祖先型基因的部分或者全部，產(chǎn)生具有全新功能的基因。
當然我們說(shuō)這些遺傳水平上的變異對人類(lèi)進(jìn)化有著(zhù)非常重要的貢獻，絕不是空穴來(lái)風(fēng)，現在已有很多變異被發(fā)現并有相當一部分得到了功能上的驗證。
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