進(jìn)化最大的壓力是“饑餓”

基因組可以大膽地“玩轉(zhuǎn)”突變，通過(guò)20世紀(jì)80年代和20?世紀(jì)90年代所進(jìn)行的一系列研我們能夠進(jìn)一步洞悉這位豪賭者的非凡魄力。1987哈佛大學(xué)研究員約翰?凱恩斯在自然雜志上 發(fā)表一篇富于煽動(dòng)性的報(bào)告，由此掀開(kāi)了整個(gè)探詢活動(dòng)的序幕。在這份報(bào)告中，凱恩斯提出應(yīng)當(dāng)重新考量獲得性遺傳理論的價(jià)值；而正是這一理論使拉馬克當(dāng)年蒙受了不白之冤，飽受垢庇。這一次， 約翰?凱恩斯選擇了一種已為人類宿主和其他宿主所“熟知”的細(xì) 菌——大腸桿菌作為研究對(duì)象。大腸桿菌是一類非常常見(jiàn)的細(xì)菌,?結(jié)構(gòu)清楚，一直以來(lái)都成為微生物學(xué)家們的研究對(duì)象（盡管幾個(gè)?“害群之馬”零星的興風(fēng)作浪讓大腸桿菌背上了可怕的惡名，但大 腸桿菌所帶來(lái)的好處則要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)所謂種種不利。前文中，我們也 提及相應(yīng)內(nèi)容；實(shí)際上，在我們的消化系統(tǒng)中它們可稱得上是任勞 任怨的模范)。

作為人體內(nèi)忠于職守、勤勤懇懇的消化大軍，不同的大腸桿菌有著不同的“口味”偏好。比如，其中的一種就不能分解消化來(lái)自 奶中的乳糖。對(duì)這些細(xì)菌們來(lái)說(shuō)，進(jìn)化最大的威脅或壓力就是“饑 餓”。凱恩斯的實(shí)驗(yàn)正是基于大腸桿菌的這一特征進(jìn)行的：以乳糖 作為營(yíng)養(yǎng)源來(lái)培養(yǎng)存在乳糖消化缺陷的大腸桿菌。結(jié)果十分令人驚 奇，這種細(xì)菌通過(guò)突變獲得乳糖適應(yīng)特性的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)計(jì)的 可能。正像麥克林托克通過(guò)玉米研究得到結(jié)果一樣，大腸桿菌的突 變似乎也針對(duì)基因組中特異的區(qū)域，即最易發(fā)生突變的優(yōu)勢(shì)區(qū)域。 通過(guò)分析，凱恩斯認(rèn)為細(xì)菌可以選擇性地進(jìn)行突變，并能夠?qū)⒂纱?取得的特性能力（如消化分解乳糖）傳遞給后代細(xì)菌。在討論中， 凱恩斯向進(jìn)化論發(fā)出了鮮明的挑戰(zhàn)。他寫道，大腸桿菌能夠根據(jù)需 要選擇性地進(jìn)行突變，因此可能存在一種獲得性遺傳的相應(yīng)機(jī)制。 凱恩斯的論點(diǎn)獨(dú)樹(shù)一幟。

此后，研究者們便開(kāi)始陸續(xù)投入相關(guān)的研究工作中，以期能夠證明、反駁，或者試圖解釋凱恩斯的工作。凱恩斯報(bào)告發(fā)表一年 后，一位來(lái)自羅徹斯特大學(xué)的科學(xué)家巴里?霍爾研究指出，突變率 的大幅度提高是促使細(xì)菌可以迅速適應(yīng)乳糖營(yíng)養(yǎng)環(huán)境的原因。霍爾 將這種現(xiàn)象稱為“超突變”，其作用有點(diǎn)類似于人體內(nèi)類固醇代謝 的突變。他認(rèn)為，這種突變有助于細(xì)菌產(chǎn)生保存自身所必需的突 變，其速率較一般突變高大約100萬(wàn)倍。

1997年，后續(xù)的其他研究進(jìn)一步加強(qiáng)了?“超突變”理論的可信度。當(dāng)利用乳糖取代正常營(yíng)養(yǎng)條件時(shí)，大腸桿菌的突變率顯著提高。研究報(bào)告指出，這種突變并非只是局限于凱恩斯所觀察到的乳糖適應(yīng)性的改變，而是包含了針對(duì)整個(gè)基因組不同區(qū)域的多種突 變。與凱恩斯的研究相比，后續(xù)的研究結(jié)果大大豐富了可能出現(xiàn)的 突變類型，但更為重要的是這種突變率整體性提高的現(xiàn)象說(shuō)明，在 一般性遺傳突變束手無(wú)策時(shí)，基因組能夠相時(shí)而動(dòng)，重新安排調(diào)整 突變的發(fā)生。在法國(guó)國(guó)家衛(wèi)生與醫(yī)學(xué)研究院，由伊萬(wàn)?馬泰所率領(lǐng) 的研究隊(duì)伍對(duì)來(lái)自世界各地?cái)?shù)以百計(jì)的細(xì)菌進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存 在環(huán)境壓力時(shí)，驟升的突變水平仿佛將這些細(xì)菌帶入了進(jìn)化的超時(shí) 空機(jī)器中，使其快速適應(yīng)環(huán)境的變化。然而，盡管相應(yīng)的支持證據(jù) 在不斷增加，但針對(duì)“超突變”的討論仍在繼續(xù)。

大自然版的動(dòng)態(tài)遺傳工程

瘋狂的玉米也好，像飛人喬丹一樣的基因也好，甚至獲得乳糖耐受性的細(xì)菌，其變化都利于相應(yīng)生命物種的生存。但你可能會(huì)問(wèn):?這一切同我們?nèi)祟愑钟性鯓拥穆?lián)系呢？在我們潛入人類基因庫(kù)探詢答案之前，讓我們先從一個(gè)公認(rèn)的遺傳原理——魏茨曼屏障開(kāi)始來(lái) 回顧一下若干相關(guān)的遺傳規(guī)則。在19世紀(jì)，生物學(xué)家?jiàn)W古斯特?魏 茨曼創(chuàng)立了種質(zhì)理論。他將人體的細(xì)胞劃分為兩類，即生殖細(xì)胞和 體細(xì)胞。生殖細(xì)胞所包含的信息將傳遞給下一代；卵子和精子是最終的生殖細(xì)胞，而胚系則包括了每個(gè)參與創(chuàng)造卵子或精子的細(xì)胞， 它們都來(lái)自受精后所產(chǎn)生的一個(gè)細(xì)胞——接合體。構(gòu)成我們身體的 其他細(xì)胞都屬于體細(xì)胞，比如紅細(xì)胞、白細(xì)胞、皮膚細(xì)胞、毛發(fā)細(xì) 胞。只有生殖細(xì)胞的信息可由父代傳遞給子代，而體細(xì)胞信息則不 能；這也就是說(shuō)只有卵子或精子中發(fā)生的突變能夠傳遞給下一代， 而任何一種體細(xì)胞突變，包括血細(xì)胞突變都無(wú)法由此途徑進(jìn)行傳遞。

除此之外，生殖細(xì)胞和體細(xì)胞之間存在著魏茨曼屏障。該理論 認(rèn)為，體細(xì)胞信息永遠(yuǎn)都不會(huì)傳遞給生殖細(xì)胞。因此，只有發(fā)生在 生殖細(xì)胞的突變才能夠傳遞給下一代；而體細(xì)胞突變則只能退出遺 傳的歷史舞臺(tái)。但這并不意味著胚系中的突變不能影響后代的體細(xì)胞特性。需要著重指出的是，建立和保持你身體所需的指導(dǎo)信息都 來(lái)自父母的胚系。所以，發(fā)生在胚系中的突變，如改變決定頭發(fā)顏 色的信息，則都會(huì)影響到下一代的相應(yīng)特征。

魏茨曼屏障已經(jīng)成為遺傳學(xué)研究的一項(xiàng)重要的組織原則。但一 些研究結(jié)果顯示，這一理論并非如我們所認(rèn)識(shí)的那樣堅(jiān)不可摧。某 些逆轉(zhuǎn)錄病毒就能夠突破魏茨曼屏障，將來(lái)自體細(xì)胞的DNA轉(zhuǎn)移 到生殖細(xì)胞中，下文中我們將馬上能夠了解到更詳盡的信息。如 此，便為獲得適應(yīng)性的遺傳提供了理論上的可行性。

這也意味著那位被張冠李戴了他人理論，蒙受不白之冤，卻因此而飽受非議的拉馬克才真正得到了具有價(jià)值的原創(chuàng)思想。

從進(jìn)化的角度來(lái)看，我們最熟悉的是胚系突變，這種突變將會(huì)導(dǎo)致卵子或精子中出現(xiàn)一個(gè)新的基因，從而使后代出現(xiàn)某種新的性狀。正如你所知，如果改變后的性狀能夠提升后代的生存能力或繁 殖水平，那么通過(guò)帶有這個(gè)性狀的個(gè)體就可以將其遺傳給后代， 并最終擴(kuò)散到整個(gè)群體中。與之相對(duì)應(yīng)，如果新性狀導(dǎo)致生存或 繁殖能力的下降，那么帶有該性狀的個(gè)體將逐漸減少，而此性狀 也將在群體中銷聲匿跡。另一方面，突變并非僅僅局限于胚系 中。癌癥就是一個(gè)最普遍，也是最可怕的例子。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，癌 癥就是細(xì)胞不受控制的生長(zhǎng)。在癌細(xì)胞中，某些原本抑制生長(zhǎng)的 基因發(fā)生了突變，從而導(dǎo)致了這種惡性生長(zhǎng)。其中，一部分癌癥 能夠，或者說(shuō)至少部分能夠遺傳，如BRCA1或BRCA2基因突變 將顯著增加患乳腺癌的風(fēng)險(xiǎn)，這些導(dǎo)致疾病的突變能夠代代遺 傳。而引發(fā)另一些癌癥的基因突變則是由外界刺激所觸發(fā)的，如 吸煙或遭受輻射。

其實(shí)，大多數(shù)突變，尤其是體細(xì)胞突變?nèi)缥鼰熕鶎?dǎo)致的肺細(xì)胞突變，想發(fā)揮作用并非易事。生物有機(jī)體，特別是人類，可以說(shuō)件 件都是自然巧奪天工的復(fù)雜杰作，而這一點(diǎn)具有重要的生物學(xué)意 義;如果其中復(fù)雜的生命過(guò)程受到干擾就會(huì)造成麻煩。從定義上來(lái) 理解，突變并不一定就意味著是有害的，它只是一種不同；跳躍基因通過(guò)兩個(gè)重要的途徑對(duì)人類發(fā)揮有益作用，而這一認(rèn)識(shí)也可能恰 恰是引領(lǐng)我們認(rèn)識(shí)和理解這兩個(gè)途徑的關(guān)鍵所在。

跳躍基因在正常的腦發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。在發(fā)育的早期階段，這些基因十分活躍，遺傳物質(zhì)幾乎是被隨機(jī)地插人腦細(xì)胞 基因的相應(yīng)位置。跳躍基因每完成一次“跳躍”，即插入遺傳物質(zhì)， 從技術(shù)上講，就形成了一個(gè)突變。而所有這一切進(jìn)行遺傳物質(zhì)的跳 躍就可以幫助創(chuàng)造出多樣的并且富于個(gè)性化的腦，每一個(gè)都獨(dú)一無(wú) 二。復(fù)雜而多變的大腦賦予了每個(gè)人不同的個(gè)性，我們由此受益良 多，這也正是為何腦發(fā)育過(guò)程中包含了大量遺傳物質(zhì)編輯、重構(gòu)的原因。一般遺傳復(fù)制和粘貼操作只發(fā)生在腦部，因?yàn)檫@正是我們受益的個(gè)性.但正如發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要研究人員所稱，“你絕不會(huì)期望在你的心臟中也增加同樣的個(gè)性”。

大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并非是唯一需要多樣性的復(fù)雜系統(tǒng)。身體免疫系統(tǒng)也選擇了同樣的策略?？梢哉f(shuō)，免疫系統(tǒng)將這種遺傳多樣性 的策略發(fā)揮到了極致。如果沒(méi)有這樣一種多變免疫系統(tǒng)，我們恐怕 根本無(wú)法形成一個(gè)物種存活下來(lái)；沒(méi)有它，我們這個(gè)物種也將無(wú)法 存活如此之久。為應(yīng)對(duì)大量威脅我們健康的潛在的入侵微生物，人 體免疫系統(tǒng)發(fā)展出超過(guò)100萬(wàn)種特異性的抗體蛋白來(lái)針對(duì)特定的侵 略者。至今，我們?nèi)詿o(wú)法徹底了解產(chǎn)生如此之多特異蛋白的機(jī)制， 特別是當(dāng)我們?nèi)狈ψ銐虻幕騺?lái)給出合理的解釋時(shí)（注意，只有?20 000?25 000活躍的編碼基因，而我們面對(duì)的是超過(guò)100萬(wàn)種可 能性的抗體蛋白）?，F(xiàn)在，來(lái)自約翰?霍普金斯醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家們 領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)新的研究，它將免疫系統(tǒng)產(chǎn)生抗體的機(jī)制同跳躍基因的

活動(dòng)聯(lián)系在一起。

B細(xì)胞是抗體的基本生產(chǎn)單位。當(dāng)需要產(chǎn)生特異性抗體時(shí)，B?細(xì)胞在其DNA信息中尋找相應(yīng)的“生產(chǎn)指南”；當(dāng)然，這一信息 同其他抗體的“生產(chǎn)指南”是交織在一起的。它們從基因信息庫(kù) 中將目標(biāo)指南從交織在一起的“生產(chǎn)指南”中剪切出來(lái)，并將剩 余的信息重新拼接起來(lái)。這基本相當(dāng)于重新編排了自身的遺傳密 碼，并通過(guò)這一過(guò)程產(chǎn)生特定的基因。這就是所謂的V (D) J重 組，其命名就是依據(jù)上述搜尋一剪切一拼接所出現(xiàn)的基因區(qū)域所 制定的。

這個(gè)過(guò)程類似于某些跳躍基因發(fā)揮作用時(shí)所采用的剪切和粘貼機(jī)制。但其中有一點(diǎn)關(guān)鍵性的區(qū)別：經(jīng)過(guò)V (D) J重組后，重新 連接的鏈上會(huì)留下一個(gè)小環(huán)，不是完全整齊的連接?？茖W(xué)家們從未 在跳躍基因中見(jiàn)過(guò)類似的效應(yīng)，但霍普金斯研究小組在普通蠅類中 發(fā)現(xiàn)了一個(gè)命名為赫耳墨斯的跳躍基因作用的過(guò)程類似于V (D) Jo從事該項(xiàng)研究的一位科學(xué)家——南希?克雷格談到：

同已發(fā)現(xiàn)的任何一種跳躍基因相比，赫耳墨斯的表現(xiàn)都更接近 于免疫系統(tǒng)識(shí)別上百萬(wàn)種不同蛋白質(zhì)的過(guò)程。這一結(jié)果第一次提供 了?一個(gè)確衡的證據(jù)來(lái)說(shuō)明（抗體）多樣化產(chǎn)生機(jī)制可能由一^個(gè)同赫 耳墨斯非常接近的跳躍基因進(jìn)化而來(lái)。

一旦你的身體能夠產(chǎn)生針對(duì)入侵者的特異性抗體，你就可以隨時(shí)對(duì)他們進(jìn)行調(diào)動(dòng)，即一旦人侵者再次出現(xiàn)，抗體就能夠及時(shí)給予 你幫助。在某些情況下，你甚至?xí)a(chǎn)生相應(yīng)免疫，就如同大多數(shù)人 出水痘的情況一樣。盡管我們可以擁有發(fā)生了上述突變的B細(xì)胞， 但是這些突變卻無(wú)法傳遞給下一代，因?yàn)樗鼈兌紝儆隗w細(xì)胞突變， 同生殖細(xì)胞之間存在魏茨曼隔離。嬰兒出生后僅僅帶有極少量的抗 體，所以其免疫系統(tǒng)必須髙效工作。在嬰兒的免疫系統(tǒng)發(fā)育成熟并 發(fā)揮作用之前，之所以鼓勵(lì)母乳喂養(yǎng)的原因之一就是因?yàn)槟溉橹泻?有母親的抗體，而喂養(yǎng)母乳就相當(dāng)于對(duì)嬰兒進(jìn)行被動(dòng)免疫，可以預(yù) 防感染?，F(xiàn)在，我們才剛剛開(kāi)始認(rèn)識(shí)可移動(dòng)的跳躍基因在生命進(jìn)化 中所發(fā)揮的作用。毫無(wú)疑問(wèn)，迄今為止它們所發(fā)揮的作用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超 越我們所了解的范圍。有證據(jù)顯示，至少四分之一人類基因中的活 躍編碼基因都是通過(guò)跳躍基因整合到DNA中。

針對(duì)跳躍基因的作用，約翰?霍普金斯醫(yī)學(xué)院的分子生物學(xué)和 遺傳學(xué)教授杰夫?博克提出：

我們現(xiàn)在才逐漸認(rèn)識(shí)到跳躍基因已經(jīng)大大重塑了宿主基因組。這些改變常?？赡苁菫?zāi)難性的，但某些情況下它們能夠增加遺傳的 多樣性，甚或提升物種的生存能力和適應(yīng)性。而在人類進(jìn)化過(guò)程 中，這種重構(gòu)可能已經(jīng)發(fā)生了成千上萬(wàn)次。

現(xiàn)在我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到在人類的進(jìn)化史上出現(xiàn)了許多次大規(guī)模的 環(huán)境變化。很難想象，隨機(jī)、漸進(jìn)的突變能夠使我們迅速適應(yīng)變 化，生存下來(lái)。著名的進(jìn)化思想家斯蒂芬?.古爾德和尼爾斯埃 爾德雷發(fā)展了間斷平衡理論，認(rèn)為大規(guī)模環(huán)境變化導(dǎo)致了進(jìn)化中不同時(shí)期的顯著變化，但整個(gè)進(jìn)化過(guò)程保持了一種平衡，這是進(jìn)化的特征所在。的確，在進(jìn)化過(guò)程中各個(gè)激烈變化的關(guān)鍵點(diǎn)上，跳躍基因就可能幫助物種來(lái)適應(yīng)變化。

跳躍基因越來(lái)越像是大自然版的動(dòng)態(tài)遺傳工程。深人了解其發(fā) 揮作用的機(jī)制將有利于我們對(duì)自身免疫系統(tǒng)對(duì)抗疾病的保護(hù)機(jī)制以 及自身遺傳機(jī)制如何應(yīng)對(duì)環(huán)境等奧秘的揭示。由此，將可能把我們 帶人一個(gè)更高的水平：通過(guò)免疫來(lái)預(yù)防疾??；恢復(fù)受損的免疫系 統(tǒng)；甚至在基因水平上逆轉(zhuǎn)危險(xiǎn)性突變。