基因排序与进化

head

引用自： Marcellini S, 辛普森 P (2006) Two or four bristles: Functional evolution of an enhancer of scute in Drosophilidae. PLoS Biol 4(12): e386. DOI: 10.1371/journal.pbio. 0040386.
　　剥去了生物体五彩斑斓的外衣，我们看到的是不同排列的基因，如同儿童所玩的积木。那么，如果改变它们的排列方式，更有甚者，将不同生物体的基因进行调换，那么我们会看到什么呢？近期PLos（公共科学图书馆）期刊所刊登的一篇论文中，剑桥大学Pat 辛普森及同事利用果蝇探讨了基因排序与进化之间的关系。
　　果蝇在分类学上属于昆虫纲双翅目，和人类的基因有很多的重复，由14个体节构成的躯干完全对称，一套基因控制了这些体节从上到下的发生过程。由于后来的研究证明，这套基因普遍存在于从昆虫到人的基因组中，是决定机体左右对称布局形成的最基本因素。由此，果蝇作为重要的模式生物，在遗传和发育研究中起到了举足轻重的作用。
　　对于外行人来说，果蝇看起来很相似，但是实际上，果蝇有近4000个截然不同的种类，这些种类的很多特征，如翅膀的纹理、胸部硬毛的位置等有明显的差别，而这些都是从始祖果蝇开始，经历了几百万年的进化而来的。每个物种——人类、老鼠（甚至香蕉）——都具有独一无二的形态，这与基因的微妙差别有关，但是这些差别位于基因的什么部位呢？
　　辛普森等人比较了两个种类接近的果蝇的基因，其中一种胸部具有两行硬毛，另一种具有四行硬毛。结果发现，差异就在于控制基因的一个很小的片断，即achaete－scute基因。achaete－scute基因一般通过昆虫的背部和颈板细胞丛表达，主要表现为增强模块的数目变化。如果交换这个基因片断，那么两行硬毛果蝇可以变成四行硬毛果蝇。
　　研究结果表明，控制基因的细微变化可以导致有机体的细微变化，经过不断的累积，就可能产生新的物种。尽管这已被进化生物学家广泛接受，但是目前缺乏由控制基因直接导致形态差异的实例。尽管不能通过调整基因序列将一个人变为一个香蕉，甚至是老鼠，但是对这些序列的研究有助于我们了解不同生物体的进化过程，并且帮助我们大胆地预测人类进化的趋势。
　　
　　此外，需要注意的是，并不是所有形态上的改变都是由自然选择引起的。Kumura提出了分子进化的中性理论，他认为在生物种群中，一些意义不大或者无用的形态变化会自然而然地形成，无需外力的推动。不同种类的果蝇之间具有数目可观的形态差别，这些差别也可能源于机体的自然反射。因此，科学家推测，生命系统具有一种类似于“探险”的本能，所以一些不同类别的，看起来不甚重要的表现型可能会促进机体的改变，从而推动生命的进化。

附：基因，即gene，具有“生育”的含义。19世纪中叶，在布鲁恩进行了8年豌豆试验的孟德尔，发现了开启生物遗传的重要理论——“孟德尔第一定律”和“孟德尔第二定律”。并证明高度和颜色等物理特征可以代代遗传。1909年，丹麦学者W.L.约翰逊提出了“基因”这一名词，用来指任何一种生物中控制遗传性状，并且其遗传规律又符合孟德尔定律的遗传因子。
　　基因位于染色体上，并呈线性排列。它由两部分组成，一部分用于蛋白质编码（在不同的生物体中都是相似的），另外一部分控制基因何时、何地、以何种程度开启。基因不仅可以通过复制把遗传信息传给下一代，还可以使遗传信息得到不同的表达。生物的各种性状都是基因相互作用的结果，而所谓的相互作用，指的是代谢产物的相互作用，只有少数情况涉及基因直接产物，即蛋白质之间的相互作用。