生命的复杂性

多角度解释 生命的复杂性杨欣2002年 1 月4 日，美国科学杂志发表了日本理化学研究所梁色体组科 学综合研究中心的研究小组在世界上首次绘制成功的黑猩猩的梁色体组图谱。黑 猩猩的染色体与人的染色体差异精确到只有 1.23%。该研究小组把黑猩猩的染色 体组分成约6.4 万个片断，以几百个为一组，然后分别读取基因片断两端的碱基 对序列，再把它们同已完成的人类染色体组对照，经过确认，两者相同的地方有 98.77%。基因与生命的联系黑猩猩被视为是人类的近亲，据推算，两者是由5 万年前的共同祖先分别进化而来。然而，尽管人与黑猩猩是近亲，但两者的差异实在是太大了，前者有意 识会思维，能从事科学、艺术、生产和创造，而后者除了有一些自我意识和思维外，基本不能从事创造性的劳动。但是，两者的基因密码却只有 1.23%的差异， 显而易见，如果仅从这一角度来解释人与黑猩猩的巨大差异，实在是让人难以理 解。另一个难以理解的事实是基因数量。过去报道的人类基因只有 35000 左右， 而线虫有18424 个基因，果蝇有13601 个基因，拟南芥有25498 个基因，似乎 人与低级生物、植物的基因数差距也不大。这更难解释人的生命现象的复杂性和 人的生物活动的高级性。为了合理解释这个问题，研究人员从几个方面来尝试加以解释。第一种解释是认为人的基因数远远没有精确计算出来，有人认为实际上人的基因数应当在 2.7 15.3万之间。但是，由于这个工作正在进行中，要到2003年才会有结果， 所以目前似乎没有太大的说服力。于是相当多的科学家认为应当从蛋白质来解释生命的复杂性，因为基因只是 蛋白质的蓝图，基因与蛋白质的关系远非一对一，而是一对二、一对三甚至更多， 少量的基因却可以设计出繁多而复杂的蛋白质，如，从消化食物到抵御疾病的蛋 白质，所以生命现象才会复杂而精妙。转录子的作用转录子是开启和闭合目标基因的 DNA 结合蛋白，它忠实地转录基因的遗传信息，并且细胞只有在转录子翻译的遗传信息基础上才能生产各种各样的蛋白 质，以维持生命现象和生理功能。就所有的转录子而言，它们的数目在酵母、线 虫、果蝇和人中是依次递增的。正由于如此，这些生物体内细胞的多样性也依次 在增加。这意味着，维持多种多样的具有明显差异的细胞类型需要越来越多的分 子开关。所以有人建议，应根据一种生物的基因组所能达到的 RNA 转录组(transcriptome )的数量和状态来判断生物的复杂性。但是，如何测定RNA的 转录组数量显然比较困难。后来又有研究人员提出用转录子和它们调控的基因来解释生物和复杂性。比 如，想要测试一种生态系统的复杂性，生态学家不仅要考虑物种的数量，而且要 计算在这些物种当中相互反应的类型和数量。比如，在一种食物网络(链)中相 互反应的复杂性可以用某种公式来计算。想要知道一种生态系统中营养传递的状 况，就要由考虑到实际上的营养环节是由各种可能的因素来制约的，比如由物种 数量 N 来相除。基因网络与蛋白质组有的研究人员认为，生命现象的复杂性实际上是由基因网络的调节作用来体 现的，就像如今的计算机网络一样，各个节点是相互联系的，但它们的关系又是 平等的、交互的。细菌和真核细胞的基因调节网络就是这样。比如，大肠杆菌的 基因转录调控分析揭示，平均每个转录子调控三个基因，而且每个基因还同时受 控于两个转录子。而真核细胞的基因调控联系肯定比细菌多得多，只不过迄今还 无法测定这种巨大的差异性和复杂性。如同全球生态系统的统一性和复杂性一样，基因调控网络也有许多相互有关 的节点，包括下面一些环节：一个遗传网络的所有相关基因的数量，基因相互 反应的数量，真正的相互反应的基因片断，影响特殊基因的一般基因数量，特殊 基因影响一般基因的数量，与一种特殊基因发生直接反应的基因数量，每个基因 发生基因反应的平均数量，基因中环节（节点）分布的偶数，两个随机选择的基 因之间联系的步骤数量等。但是，无论基因网络的调控多么复杂，最后都得体现到基因通过RNA （核糖核酸）转录所编码产生的蛋白质上面来。一种生物的蛋白质组（proteome） 是该种生物所能产生的所有蛋白质，它们都是由RNA从基因那里转录、剪辑信 息后选择性拼接和修饰产生。而RNA转录或RNA剪辑的选择性拼接和转录后 的修饰能够产生比基因编码数目多得多的蛋白质，从而成为该种生物巨大的蛋白 质组。比如，从理论上讲，果蝇的一种叫做para的单基因（para是为纳离子通道 编码的基因通过RNA选择性拼接和剪辑能产生1032192种信使RNA（ mRNA） 转录子，每个转录子都能编码不同的蛋白质。现在人们只知道酵母有三种基因可以选择性地拼接，而在人类至少 35%的 基因转录经历了选择性的拼接。遗憾的是人们对于调控这些选择性拼接的蛋白质 （RNA ）知之甚少，尽管人们已经知道拼接发生的位置和特殊的时间。这表明， 执行拼接的蛋白质的复杂性（可以称为蛋白质拼接组，spliceosome ）自身也处 于严格的控制之中，这种控制也许是通过其与其他调控蛋白相互反应而实现的。另一种理论：渐成说认识到不能用单纯的基因数量来解释生命现象的复杂性，也有研究人员认为 应当用渐成说来解释。所谓渐成说（Epigenesis，又译后生说）是相对于遗传说 （Genetics ）而言的，指的是基因功能发生遗传变化时，DAN序列并没有发生 变化。渐成说与生命个体的发育和所有生命现象都预先由受精卵中的基因所决定 的先成说相反，认为个体的发育是在各器官和各部分发育过程中逐渐形成的， 而不是预先存在于受精卵中。这种理论似乎更能解释为什么人与黑猩猩的基因数量和碱基对序列几乎完 全一致，但两者的生命现象和创造力却大相径庭。渐成说同样涉及 RNA 开启和 关闭基因的作用。因为细胞的分化、发育，生物的生老病死等就是一些基因关闭， 而另一些基因表达（开启）的结果。比如，在一些生物中含有一种以RNA为模板的RNA聚合酶，这种酶可以 在细胞中形成双链RNA，后者容易被降解，因此可以起到特定基因被关闭的信 号作用。由于某一基因或几个基因的关闭，生物性状和功能就会大不相同，此外， 在细胞质中形成的双链RNA可以指导形成DNA的甲基化。反过来，以甲基化 的DNA为模板合成的异常的RNA又可以促进其他部位的DNA甲基化。研究早 就发现，DNA的甲基化是生物关闭基因表达的一种有效手段。渐成说的另一个内容是研究DNA重复序列之间的相互作用，以及为什么一 些基因会产生沉寂现象，即不表达出来，也就不能编码和产生蛋白质。对真核生 物的研究发现，DNA重复序列可以诱导突变的产生，而且与DNA的甲基化有关。 实际上这是生物的一种自我保护功能。当外源性DNA进入一种生物体后，这些 进入生物体的多余的DNA就会引发一些突变，然后DNA修饰酶会把DNA中的 胞嘧啶修饰成 5-甲基胞嘧啶。随后再产生一些错义和无义的突变。这样的结果 一是影响基因的表达，二是阻止基因同源重组的发生。同时，DNA的甲基化也可以通过减数分裂时的同源染色体的配对而相互传 播。由此便使得一些基因表达出来，而一些基因沉寂下去，生命的现象、表现形 式和功能便变得复杂和多样化起来。这远不是基因数量的多少所能解释的。此外，上面提到基因表达需要基因序列的正确转录，也即需要许多转录子， 但是这些条件对于基因的表达也还是不够的，因为基因的表达还受到它所在的染 色体结构的影响。一个很典型的例子便是，DNA重复序列可以诱导DNA甲基化， 随后经过一系列反应使染色体上结合的组蛋白乙酰化，最终使染色体的结构发生 改变，从而关闭基因，阻止基因的表达。比如，人体中有一种fMRI基因，该基 因的调控区有一些特定的核苷酸重复序列，这些核苷酸被甲基化后，fMRI的表 达会受到抑制，最后导致人智力下降，变得痴呆。研究还发现，在生物尤其是人的进化中，基因的数量大量增加，并积累了大 量的重复序列和一些可移动的DNA片断（断裂基因）以及它们的退化产物，这 正是渐成学说的机制，它们在基因的调控和表达中起着重要作用，因而也影响和 决定着生命的复杂性。所以，仅仅靠基因数量和基因序列的一致性是不可能解释清楚生命的复杂性 和人与动物行为与思维的巨大差异的。而探索各种对生命复杂性的合理而圆满的 解释不仅仅是为了要获得一种相对正确的答案，而且也是生命科学未来的重要发 展方向。