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我看生物学 一位大三学生1.生物学发展的历史及现状(1) 自然科学起源于古希腊，生物学也不例外。当时实验作为科学尤其是生物学的一种手段尚未为人们所重视。早期的希腊哲学家认识到一些生理现象如运动，营养，感觉，生殖等等都需要加以解释，并认为只要对之加以思考（就像他们对待哲学问题一样）就能解决。这种错误的思想一直维持到文艺复兴时期实验科学从哲学中解放出来。 达尔文以前对生物学贡献最大的亚里士多德。他是对生物进行分类的第一人-虽然正式的分类法后来由林奈提出；他首次认识到比较法对于生物学的重要性，而比较法即便是在现代也是贯彻生物学研究始终的一条主线；更重要的是，他从哲学上提出了生物学不仅仅满足于回答“怎样”（生物体如何实现其功能的？）的问题，还要解决“为什么”（为什么生命现象会有这么多的目的性？）的问题。而这个“为什么”也就是现代进化生物学家们所提出的最重要的问题。 在文艺复兴时期，实验方法走进了生物学。当时解剖学盛极一时，维萨纽斯发明了新解剖工具，并出版了人体解剖一书。这一时期生物学最重大的发现来自哈维，提出并论证了血液循环学说，这在很大程度上得益于当时比较先进的解剖技术。另外著名的解剖学家Borelli曾在他的动物的运动一书中论述了关于行动的研究，如利用力学原理分析了血液循环和鸟的飞行问题。这大概是生物学与物理学的第一次结合。 正如伽利略用他的望远镜使物理学的触须伸向天空一样，引导生物学进入微观世界的是列文虎克和他的显微镜。这两个例子说明了仪器在科学研究中可能发挥的巨大潜力。这时期林奈提出了分类法，博物学也达到了前所未有的高峰，并与生物学一向的主流-解剖学结合起来，互相促进。这个时期生物学的主要兴趣很明显是生物有机体的描述、比较和分类。博物学和解剖学的积累，尤其是比较解剖学方面的数据，为后来的达尔文进化论奠定了基础。 1859年，根据其对戈拉帕哥斯岛和南美动物区系的研究和一些解剖学和博物学的资料，达尔文提出了进化论。进化论的革命性有两点：第一，所有有机体都可能来自共同的祖先；第二，进化是有原因的，首先产生遗传变异，然后对变异的个体进行自然选择，从根本上否定了拉马克的自发进化学说。 19世纪实验科学方面的一个重大进展是施莱登和施旺的细胞学说，这得益于显微镜的发明。另一个重大进展是孟德尔的遗传学说，遗传学在贝特森、摩根等人手中迅速的发展成一门宏大而成熟的科学。其中值得一提的是麦克林托克用经典遗传学的手段发现了转座子。19世纪中期，综合遗传学的理解和对种群进化的认识，形成了一个统一的进化学说-综合进化论。一些主要的进化生物学的概念如物种形成、进化趋势等可以在遗传学上得到新的解释和认识。 生物学的重大发现之一就是沃森和克里克发现DNA双螺旋结构。在那个时代，DNA作为遗传物质已经为Avery等证明，因此一个重要的问题是：DNA分子如何携带控制发育过程的全部信息？当时结构生物学手段刚刚建立起来，沃森和克里克利用X衍射信息重建了DNA双螺旋结构并指出了碱基配对的可能性。这是一次科学家非凡的洞察力和精巧的实验技能的完美结合。DNA双螺旋结构宣告了分子生物学时代的来临，在20世纪七八十年代，中心法则以及其内在的分子机制建立起来后，分子生物学在更大程度上作为一种有力的手段被应用，如阐明分子进化或者发育的机制等。中心法则确立后，很多有前瞻目光的科学家寻找生物学的新的出路，如Sydney Brenner提出用线虫研究发育和神经， Seymour Benzer提出用果蝇做神经和行为等。 纵观生物学发展的历史，所有学说和理论的提出都是有其时代背景的，如比较解剖学和博物学为达尔文进化论的提出建立了基础；遗传学的兴盛预示了DNA双螺旋结构的发现；分子生物学的建立使在分子水平研究进化与发育等。就像渐变进化论一样，生物学的发展也是渐变的。2.生物学科研手段 生物学作为一门实验科学主要是建立在解剖学的基础上的。收集各式各样的标本，对人体和动植物进行解剖观察，曾是生物学的主导手段。达尔文的进化论同样是建立在细致的观察的基础上的。列文虎克用自制的显微镜第一次观察到了细胞，以及之后细胞学说的建立，体现了精确的仪器在生物学研究中的巨大威力。在分子生物学尚未建立以前的经典遗传学时代，将宏观现象（突变体）与微观世界（染色体）联系起来的正是显微镜。当时果蝇的巨大染色体（足以在光学显微镜下看到清晰的分带）为遗传操作和分析提供了很大的便利。在神经生物学上，著名的神经解剖学家Cajal曾用高尔基染色法对大量的神经系统组织标本进行显微观察，提出了神经元学说，并以超人的洞察力指出了神经系统信号传递的许多基本性质。 遗传和生化是进行功能性生物学研究的两大手段。然而在摩尔根的时代，经典的遗传学更着重于探索遗传的机制，即遗传物质是怎样传递的。遗传学真正作为一种对基因进行大规模的功能性研究和分析始于Nusslein-Volhard对影响果蝇体节分化的基因的一次gene screen(2)，首次将基因的功能与发育联系起来。几种模式生物的确立极大的方便了系统使用遗传学手段研究基因的功能以及相互之间的作用。现代遗传学可以分为两类：forward genetics和reverse genetics(3,4)。前者是依据从表型到基因型的思路，寻找影响某一生物体功能的基因，而后者则是从基因到表型，看某一感兴趣的基因是否对生物体的功能造成影响。reverse genetics一般是对一些重要的基因的同源基因进行验证。最近发展出来的modifier screen和clonal screen，前者是研究信号通路的很有力的手段，后者则用于一个基因的多种功能。现代遗传学已经基本上可以做到在特定的一小群细胞中以特定的时间表达或抑制表达某个基因。 生化手段与遗传学手段恰恰相反。它是首先建立一个功能性的检测体系，然后用传统的层析方法纯化蛋白。生化方法较遗传学方法优势在于能够揭示许多重要蛋白的新功能，而在gene screen中重要蛋白的突变体往往在胚胎期就死亡了，因而看不到成体的表型。王晓东关于cytochrome C在细胞凋亡中的作用就是一个很好的例子。gene screen是发现不了cytochrome C的，因为cytochrome C是电子传递链上如此重要的一个分子。他首先建立了一个in vitro的细胞凋亡的体系，然后试着加一些小分子物质如核酸等，看能否加快细胞凋亡的进程，结果发现了ATP和dATP，而且dATP的效果比ATP强一千倍(5)。依靠生化纯化蛋白的手段，他分别纯化出了cytochrome C,Apaf-1和caspase-9。 在现代生物学研究中，遗传、生化和分子互相渗透，在基因功能性研究和细胞信号通路的阐明中发挥了巨大的作用。 显微镜在细胞学说的建立中曾发挥过关键的作用。然而因为分辨率太低的原因，在很长一段时间内被生物学家们冷落。而今显微成像技术有复苏的趋势。促使显微成像技术再次倍受生物学家们关注有两个原因：一个是激光共聚焦显微镜的发明；另外一个是荧光标记技术的成熟。激光共聚焦显微镜最早由Minsky发明，有效的克服了普通光学显微镜因成像平面受到邻近平面发出的光的干扰而造成图像模糊不清的现象。随着计算机技术的进步，光学成像和图像处理技术进一步提高，激光共聚焦显微镜真正走上了生物学研究的舞台。荧光标记技术在生物学上的应用同样经过漫长的道路。尽管荧光标记的抗体在1941年就被应用在生物学研究上，但当时普遍认为抗体只能应用在对感染等免疫学的研究。直到后来人们才意识到，一些针对其他蛋白如actin或tubulin的抗体可以用相似的办法来制备。当这个观点为人们所普遍接受后，免疫荧光染色马上被应用到生物学其他领域。科学家们由此可以观察到细胞骨架的精细结构、胞内蛋白的定位。荧光技术同时在动态观察胞内Ca2+变化等方面得到应用。而当GFP发现后，科学家们更可通过基因工程技术将GFP标记的特异性蛋白导入细胞内来实时地监测生理状态下生物大分子的动态变化。Svoboda使用双光子荧光显微技术活体研究神经系统的可塑性应该真正是这方面的扛鼎之作。双光子成像的最大好处是激发波长在偏红外区域，可以穿透很厚的标本，同时对标本损伤很小，适于活体观察，光漂白作用也小。他们首次用这项技术观察到新形成的树突棘数目与小鼠barrel cortex发育过程中的可塑性之间的直接关系(6)。 成像方面胞内单分子监测越来越受到重视，FRET(能量共振转移)、TIRF（全内反射）等技术的不断成熟，使在活体状态下观察单个分子的运动成为可能。 总之，技术的进步可以说是推动实验生物学发展的主要动力。但是我觉得，进行有创造性的生物学研究的一个特点是，始终抓准最基础和最重要的问题，以正确的技术和合适的标本进行回答。Hodgkin, Huxley巧妙地运用电压钳技术，用特定的离子（K+,Na+,Cl-）进出轴突膜上的离子通道来解释动作电位的产生，最终诺贝尔奖授予他们而非发明膜片钳的人；Rod MacKinnon发现只有结构生物学能够彻底地解决钾通道的问题时，马上由一位电生理学家变为结构生物学家；王晓东也是一个突出的例子，他成功的关键在于，正确的运用技术（生化而非遗传）解决了关键的问题（细胞凋亡的上游信号通路）。成为科学家而非科学匠在于是不是能够驾驭技术而不致成为技术的奴隶。有时关键的问题是什么，大家都比较清楚，优秀的科学家还应能判断出何时能解决这些问题。生物学，或者说实验科学，本身就是一门解决问题的艺术。 4.我所感兴趣的神经发育科学神经发育科学的主旨在于研究神经细胞如何分化成具有轴突和树突的神经元，细胞迁移和轴突长出是如何被诱导，特异的神经元是如何识别而形成功能性的突触，连接是如何在发育进程中被修剪和精细化的。 神经发育生物学中我最感兴趣的是神经元在发育过程中的极性(7)。极性包括两个方面：一个是神经细胞在形态发生中极性的形成-神经细胞在发育初期会伸出很多的神经突，其中某个神经突在发育后期会特化为轴突，其余神经突则特化为树突。轴突和树突在神经元信号传递中的功能是截然不同的，因此极性的建立、加强和维持就显得特别重要。我们可以问如下的问题：神经细胞最初的极性是如何建立的？有什么分子参与这一过程?极性是如何影响轴突和树突的长成的？轴突特异性蛋白和树突特异性蛋白如何在胞内定位？树突的分支比轴突复杂的多，这是为什么？不同神经元树突的形态很不相同，调控树突分支的分子机制是什么？神经元的极性在成体中又是如何保持的？这些都是很重要且有趣的问题。另一方面是极性在神经细胞迁移和轴突导向中的作用，轴突导向的过程为两类分子-短程分子和长程分子所介导。这两类分子在轴突生长锥附近形成梯度分布，排斥或者吸引正在生长的生长锥。例如ephrin就是结合在细胞膜上的，而且在神经系统的某些区域形成梯度分布，可以排斥正在生长的轴突。其他的分子比如netrin或者semaphorin，以扩散的形式分泌，可作为长程的吸引或排斥分子。这些胞外的信号分子造成胞内某些分子活性的极性分布，如CDC42和PI3K等(8)，这些分子的活性进一步影响细胞骨架的重新分布，如actin和tubulin单体在生长锥的一边多聚化，在另一边解聚，从而引起轴突生长锥的转向。相当有意思的一个问题是，胞外信号分子如此微弱的浓度梯度是如何在胞内进行信号放大以指引生长锥正确的转向？ 对于神经细胞轴突和树突的极性形成，一个有趣的比较是，轴突对应于上皮细胞的apical side，树突对应于上皮细胞的basolateral side(9)。比如最近发现在上皮细胞的极性确立中期重要作用的mPar3/mPar6/aPKC在神经细胞的极性形成中也有作用（10）。时松海等发现mPar3/mPar6/aPKC以及被活化的PI3K集中在发育中的神经细胞轴突的顶端，而异位表达mPar3/mPar6/aPKC或者抑制PI3K的活性都能有效的抑制轴突的长出，轴突特异性蛋白tuj1不再表达。轴突形成的下游效应分子是微管和微丝。Bradke等作了一个有趣的实验(11)：他们将微丝特异性药物cytochasin D局部地加在一条即将特化成树突的神经突上，发现它被诱导形成轴突。因此，有可能cytochasin D使微丝去稳定，有利于轴突的形成。但是在生理条件下，上游的信号分子如何调控微丝和微管的动态变化以建立神经元极性仍然是一个待解决的有趣的问题。微管与神经元极性的关系始于对一个微管结合蛋白CRMP-2的认识。人们发现在它特异的集中在轴突的顶端，当升高CRMP-2的表达时，有更多的轴突长出。最近的一片待发表的文章指出CRMP-2的上游调节分子为GSK-3(12)，而在以前的工作中证明了GSK-3在神经元迁移中的作用(13)。由此可见，在这两类极性的建立和发生中有些分子是保守的，如果认识到微管和微丝在轴突形成和轴突导向中的同样重要的作用，就更能深刻的理解这一点。最近证明某些胞外分子也能影响轴突的形成，如果让神经元在铺有polylysine和laminin（或者NgCAM）条形间隔的培养基上生长，那些接触laminin或者NgCAM的神经突较接触polylysine的神经突更易特化为轴突(14)。 经过二十余年的探索，已经证明相同的信号通路在轴突导向和不同的细胞迁移中（如肿瘤形成(tumoriogenesis)和血管形成(angiogenesis)中的细胞迁移、肿瘤细胞迁移(tumor metastasis)）被使用(15)。有关细胞迁移的领域，有很多杰出的科学家在进行孜孜不倦的探索，因为这实在是一个非常有趣的问题。只要稍微发挥一下想象力，就不难通过比较的方法找到对问题的突破口。比如chemokine一向是介导白细胞迁移的一类趋化分子，通过G蛋白耦联受体(GPCR)向胞内传递信号。最近发现轴突导向同样可以由GPCR所介导，并为SDF-1（属于chemokine的一种分子）所排斥(16)。又比如Slit最先是发现在轴突导向和神经元迁移中起排斥作用的， Wang Biao等的研究结果表明Slit2在肿瘤细胞中表达，而Slit的受体在血管上皮细胞中表达，肿瘤细胞释放Slit2吸引血管上皮细胞，促进血管形成，因此Slit-Robo信号通路在肿瘤血管形成中同样起作用(17)。既然胞外信号分子会影响轴突导向和细胞迁移，很容易想到的事情是：内因会不会影响神经元对胞外信号分子浓度梯度的反应？Poo Mu-ming的一系列开创性的工作证实了第二信使在轴突导向中的作用。他们发现胞内Ca2+的浓度直接影响轴突生长锥对于胞外信号分子的反应，特异性阻断Ca2+进入胞浆内以降低胞内Ca2+浓度，可以使原先netrin-1对于轴突的吸引作用变为排斥(18)。cGMP和cAMP也有类似的作用，提高胞内cyclic neucleotides的浓度可以使轴突对胞外信号分子的排斥效应变为吸引效应(19)。进一步的研究发现cAMP、cGMP和Ca2+是有crosstalk的，cyclic neucleotides能够调节L型Ca2+通道的通透性，升高和降低胞内Ca2+的浓度，进而调节轴突对外界信号的吸引或者排斥作用(20)。这些工作使我们对于第二信使在轴突导向中的作用有了比较完整的理解，并使对其他现象的深刻理解成为可能。如最近发现Sema 3A有对树突有吸引作用，这与它对轴突的排斥作用恰恰相反。对这个现象的解释是，guanylate cyclase (SGC)在轴突和树突中的不对称分布造成了cGMP浓度在轴突和树突中的不同，因而造成了轴突对同一种胞外信号分子的不同反应(21)。 发育生物学可以说是实验生物学的一个核心问题，而神经发育更是核心问题中最为神奇的地方和激动人心的发现的源泉。我对神经发育中的轴突导向和神经元极性确定方面的课题感兴趣的原因有两个：第一，细胞极性的问题本身是一个从对称走向不对称，从无序走向有序的问题，探索这一问题本身有着科学的美感，是很有趣的问题；第二，轴突导向反映细胞也是有智慧的，对不同的外界环境做出不同的反应，而正如外因和内因决定一个人的成长一样，外部环境和内在因素共同决定着轴突导向，因此在探索过程中将神经元拟人化去理解我觉得特别重要，也很有意思。神经发育科学中有很多有趣的和重大的问题尚待解决， 因此只要保持一颗好奇心，是不难找到用武之地的。参考文献1. 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174需编码9个蛋白质，而其基因组仅有5kb左右，基因组中存在基因的完全及不完全重叠。大肠杆菌基因组DNA是单个双链环状DNA分子，约4.710bp大小。此外有些细菌还有质粒DNA，是染色体基因组以外的DNA结构，含有遗传信息，能自主进行复制并传给下一代，也可以表达。少数质粒DNA既可以插入整和到宿主染色体DNA中，也可以在特殊的重组过程被切割下来。真核生物的基因组DNA不同与原核生物，都是线形双链DNA，同时由于其含有细胞器，如在线粒体及叶绿体中也有环状双链DNA。真核生物基因组很复杂，结构中除含有重复序列外，还有间隔序列，即基因组的非编码序列，包括位于编码区外显子之间的内含子，以及基因与基因之间的序列。由于间隔序列的存在，常常使一个完整的基因被分隔成几个不相连接的区域。当人类基因组DNA序列的最终草图与2003年4月发表时，许多人说，人类DNA中由30亿个A、T、C、G四种碱基构成的长链代表着人类遗传的天书，细胞的源代码，生命的蓝图。但事实上，这些比喻都误导了我们。基因组是存在与染色体中并控制一个生物体如何发育的全部遗传信息，它不是从上一代传到下一代的静态文本。更确切地说，基因组是一个复杂得让人望而生畏的生物化学机器，和所有的机器一样，它在三维空间里运转，而且它也有独特的、动态的、相互作用的部件。编码蛋白质的基因只是组成其中的一个部件，并且通常只是很小的一部分，在每一个人类细胞的全部DNA中不到2%。但在过去的50年时间里，分子生物学的中心法则把这些基因看作遗传性状的贮藏库。因此，基因组的构想被认为是控制遗传性状的蓝图。而基因组学这门新兴的学科将具有更为广阔的应用前景。当前基因组学研究的重心正在由“结构”向“功能”转移。一个以基因组功能信息的提取、鉴定和开发利用为主要内容的所谓“后基因组时代”（post-genomics）,即功能基因组学时代已经到来。人类基因组计划（HGP）的完成，为世界奉献了一部蕴涵着人体生物信息奥秘的由DNA序列写就的巨著。如何破译这些DNA序列中的基因结构与功能信息，并进一步了解真核细胞中一切生命活动的分子细节，是生命科学界面临的迫切挑战，也是基因组学所要解决的问题。二、基因组结构与遗传语言人类基因组计划完成的下一步更为艰巨的任务是读懂基因组的工作语言遗传语言的破译。人和动物基因组结构是在长期进化过程中形成的，其功能则需要在发育过程中才能表现出来。基因组DNA荷载的遗传信息的特点是信息结构和物质结构的紧密联系。活细胞内DNA信息的表达是受位于染色质结构上的一系列核酸和蛋白质相互作用控制的。因此，对基因组结构和遗传语言的研究，必须结合发育和进化的研究进行。通过对人和其他动物（线虫、果蝇、小鼠等）基因组的总体结构（基因在染色体上的排序及各组分间关系）和DNA序列的精细比较，将可能发现许多新的调节基因和在进化上保守的有重要功能的区域；在借助转基因动物，还可以进一步检测这些序列功能。此外，更为繁重的任务是需要与数学家、逻辑学家、非线性物理学家和计算机科学家合作，对浩如烟海的序列资料进行比较分析和综合的基础上，去破译记载在基因组DNA上的“遗传语言”，从而阐明控制发育的遗传程序在染色体上的构建和操作规则。以及在进化过程中发生的变化。最终的目标是找到某种简明的数学形式来表述: 记载在基因组DNA一维结构上的遗传信息如何控制生物体的三维形态发育;以及复杂性不断增加的动态发展过程。这无疑是对数学(系统理论、大组合复杂性和拓扑学等)和非线性物理学的一大挑战。根据研究方法和侧重点的不同，遗传语言研究又可分为下述几个方面:1基因信息学适应基因组计划和蛋白质工程的需要，建立对基因序列数据的储存和处理的计算机基因信息管理系统。如:(1)进行序列联配(Sequence aligment)(整体、局部、多重和柔性联配);(2)基因分析，包括功能位点(剪接、蛋白质结合序列、启动子、加强子等)、调控区的搜寻和预测、以及蛋白质折叠和三维结构的预测等;(3)基因组结构分析，包括大尺度联配、发育程序、进化“遗迹”等方面研究。2基因组信息结构的复杂性利用非线性物理和数学等多学科方法，把基因组全序列作为一个整体系统，研究其信息结构的特性(数据信息与调控信息、序列频数、分布图式、长程关联、分形维数和自相似性等);与自复制、自修复、自调控等功能相关的操作方式(程序、中心指令集等)，揭示基因组信息结构的复杂性及其构建和操作规则。3语言学研究(Linguistic approach)把基因组DNA序列作为一种由“ATCG”四字母构成的书面语言，用语言学方法，对DNA序列进行形式的比较分析和语义学研究，以发现其“词法”和“句法”规则。目前以色列已编纂了第一部遗传语言词典(GnomicA Dictionary of Genetic Code)，收集了800多个有生物学意义的“单词”。4实验研究 利用人工染色体(MAC)作载体，将重组的“词”和“句”输入到转基因动物受精卵内，检测其“语义学”功能。这是对上述理论研究结果进行验证的必要的方法。人类基因组结构和遗传语言的研究将是21世纪自然科学的前沿和竞争的焦点，对未来生物学、医学和生物技术的发展有根本的意义。目前国内随着“水稻基因组计划”的顺利实施及参与人类基因组的研究，已经在计算机基因信息管理系统和基因信息学方面开始工作;理论研究方面也有人向国家自然科学基金会提出有关基因组信息结构的复杂性和动力学研究的建议;实验研究方面，中国科学院细胞所，早已开始动物染色体人工合成和个体表达系统研究，并设想将此系统用于遗传语言的研究。三、基因组怎样为进化做准备著名作家和癌学家刘易斯托马斯(Lewis Thomas)曾经写道:“DNA对稍稍出错的包容，真是奇妙的事。没有这个特性，我们会仍是厌氧细菌，更不会有音乐。”像许多其他学者诺贝尔奖金获得者巴巴拉麦克琳托克(Barbara McClintock)是著名的例外托马斯认为，遗传的改变，也即新物种的进化，源于一些基因的个别、微小、随机的突变。但是，大量增长的论据表明，生物学家之主流必须从很不同的观点来考虑基因组，以及它们进行的与进化有关的变化的类型。研究表明，导致进化性变化的突变，既不微小，也不像许多生物学家长期来设想的那样稀少。有时，它们涉及DNA的相对较大的片段像可移位元件(Transposable element)，麦克琳托克原先在玉米中发现的DNA片段的移动，它们甚至能采取遗传物质全盘打乱重组或复制的方式。所有这些变化，能影响基因的表达，或者，使复制出的基因自由地发展新功能。 再者，这些变化可以是非完全随机的。例如，研究人员已经发现，DNA的有些片段，根据其性质，较之其它片段，更常被复制，或者移动至另一位置。他们并力争搞清，复制和维持DNA的一些酶，将变化导人基因组的某些特定部位，形成提高进化效率的突变热点。诚如芝加哥大学细菌遗传学家杰姆斯夏皮罗(James Shapiro )指出，“细胞是自身基因组的工程师。”诸如此类的发现，纽约市生物技术顾问林恩卡波拉尔喻之为“词形转换”。过去，研究人员曾设想，基因组向突变率最小、防止随机遗传变化的方向进化。但是，新发现使他们相信，最成功的基因组可能是那些已经计划到能根据需要作出迅疾而重大变化的基因组。诚如麦克琳托克在她1983年接受诺贝尔奖金时的演讲中所说，基因组是“一高度敏感的细胞器，在环境严峻的时刻，能启动自身的重组与修复功能。”四、基因组学与演化生物学进一步发展的关系比较基因组学的初步研究表明,从细菌演化至高等生物(如哺乳类) ,首要的要算基因数目的增加. 在生殖道支原体,Mycoplasma genitalium 约含470 个基因,而人类却有30 00040 000 个基因. 那末,基因数目是如何增加的呢? 也就是说,新基因是如何产生的呢? 李文雄(W.- H.Li) 提出了4 种新基因产生的方式: 基因重复; 域(domain) 的组合; 基因共享; 基因的水平转移.最新补充了第5 种,即同功替代,并已从蚯蚓血红蛋白(hemerythrin) ,血蓝(hemocyanin) 和珠蛋白在演化过程中的替代,以及从序列、蛋白质结构和功能作了分析,证实其在新基因产生上的意义. 有人对血蓝蛋白的起源和走向进行了较详细的分析，已从M. jannaschii 的基因组中通过CLUSTAL W 寻找到蚯蚓血红蛋白的起源,并正在进行其走向的分析. 看来,基因组全序列的数据,是解决新基因产生的最重要根据.Margulis 的共生观念富有创造性和洞察力,对传统进化论是一个极大的挑战,如果能从比较基因组学着手,无疑是最理想的验证其原生生物在多细胞真核类演化作用的观点. 遗憾的是,目前原生生物基因组全序列数据还是空白.尽管古生物学研究已步入对古DNA(ancient DNA) 的探索,并认为是从分子水平研究演化生物学的一条重要途径,但是很显然,这方面研究可以说还处于萌芽状态.若以现存的活化石如海豆芽(lingula) 基因组全序列作为分析对象,不失为一条可替代的途径.随着分子生物学技术的迅猛发展,不同生物的基因组全序列可望在不久的将来会很快地积累成海量数据。生物信息学上所编写的软件程序也会随之而大力发展。面临这样大好的机遇,研究演化的专家绝不能随着计算机的快速发展,将其作为一个黑箱,不加选择地盲目使用一些程序,以致可能得出极有害的结果。 Nei 和Kumar于1998年出版的著作分子进化和系统发育( Molecular Evolution and Phylogenetics)对此作了详尽分析,并指出理解程序所依据的算法(algorithum) 是何等的重要.综上所述,可见只有通过比较基因组学的成就才能从微观水平对宏观上已取得很大进展的非线性演化生物学进行验证;当然结构生物学的宝贵数据也是重要的验证依据. 同样,演化生物学的发展反过来也作用于基因组学的进一步发展. 目前许多生物化学家、分子生物学家正从演化角度考虑同源基因、副源基因并分析结构功能关系.五、新基因的起源大量的基因组数据已经揭示不同种生物之间的基因数目存在巨大的差异，这表明基因组进化的一个至关重要的过程，即新基因的起源。但是人们却很少有机会去探究具有新功能的基因是如何起源和进化的。对古老基因的研究，基因起源的某些机制的普遍重要性。最近对一些仍处于进化早期阶段的新基因的研究已经揭开了某些意想不到的分子和进化过程 .不同种生物中基因数目的变化表明新基因的起源存在一个普遍的过程。关于这个过程的问题有两个水平需要弄清楚。第一，在单独新基因的水平，产生新的基因结构的最初分子机制是什么？一旦新基因在自然种群中的一个单独基因组中产生，它怎样扩散到整个物种中去并得到固定？并且，一旦新基因产生后，它又是如何进化的？第二，在基因组水平，新基因起源的频率如何？如果新基因的起源不是很稀少的事件，那么在这个过程中潜在的模式是什么？，支配任何这些模式的进化和遗传学机制是什么？以往关于研究新基因起源的努力是零散的，并且集中在复制基因和嵌合基因的进化，尽管有些已经有几亿年的历史了。但是，一个更为有效的方法是直接观察那些仍处于进化早期的新基因，这是非常有利的，因为许多关于新基因起源的细节随着漫长的进化年代都丢失了。对于古老基因的研究则说明了一些新基因产生的分子机制的古老性。为此我们要明确的是：单独的一些基因是通过怎样的机制产生的，并且在基因组水平分析新基因进化的速率和模式。1. 新基因的来源（Sources of new genes ）目前，人们已经知道有几种分子机制涉及新基因结构的产生，但对这几种机制的了解程度不一。外显子洗牌（exon shuffling）来源于不同基因的两个或多个外显子异位性地被组合在一起，或是一个相同的外显子通过复制创造了一个新的外显子内含子结构。目前已知有两种机制可以导致外显子的异位重组（ectopic recombination）：非常规重组（illegitimate recombination）和逆转录转座的外显子插入。有基因组的数据表明，外显子洗牌，也就是通常说的结构域洗牌，经常重组编码各种蛋白质结构域的序列从而创造新的嵌合蛋白质（chimeric protein）。 基因复制（Gene duplication）通过这个经典的机制，基因的复制本可以进化出新的生物学功能，而祖先拷贝仍保持原来的功能。许多新的基因功能都是通过基因复制进化来的，而且对不同种生物的发育程序的进化起了巨大的作用.同样，在染色体片断和基因组水平的复制对人类的新功能的产生和进化也起了重要的作用。逆转录转座（Retroposition）这种机制可以通过反转录表达的亲代基因（parental gene）在新的基因组位置创造一个基因复制本。因为逆转录转座的基因组复制本通常不包括亲代基因的启动子区，因此必须着招募一个新的5端调控序列才能行使其功能，否则就会退化为一个假基因。所以一个有功能的逆转录转座基因呈现出一种嵌合结构逆转录转座的编码区域和一个新的5端调控序列.或是逆转录转座的编码区域和一个从整合靶位点附近招募的新的基因片断这会导致新的嵌合机制具有和亲代基因不同的生物学功能。可移动元件（Mobile elements）Makalowski等最早描述了Alu元件可以整合进人类衰减加速因子基因（DAF）的蛋白编码区。他们发现基于可移动元件的多样性并不仅限于人类基因组或是Alu家族（见表1）。对人类基因序列和脊椎动物基因的进一步分析表明，可移动元件整合进核基因从而产生新的功能可能是一个普遍的机制。侧向基因转移（lateral gene transfer）在原核生物中，基因通常在不同生物间转移。尽管这种侧向的、或水平的基因转移可以导致同源基因的交换，但是有证据表明它可以招募新的基因并提供新的表型；比如使良性细菌转变为病原体。最近，侧向基因转移的现象也在一种原生生物richomonas vaginalis中观察到，另人惊奇的是，在显花植物的线粒体中也观察到了五个这种基因转移事件。这说明，基因的侧向转移可能在真核生物基因的进化中起了重要的作用。同样，转座元件的水平转移可能携带某些基因或基因片断，这对受体生物新基因的形成起了一定的作用。基因融合/分裂（gene fusion/gene fission）通过中止密码子和基因上游转录终止信号的删除突变和点突变，两个相邻的基因可以通过通读转录（readthrough transcription）融合为单个基因。相反，一个基因也可以分裂为两个单独的基因，尽管这种基因分裂发生的潜在的分子机制尚不清楚。许多基因融合和分裂事件在原核生物的基因组中被鉴定出，并且已有报道在更高等生物中也存在基因融合事件。比如，Thompson等人鉴别出了一个人类融合基因，KUAUEV，在这个基因中，肿瘤易感基因（UEV）的E2泛素连接酶变体结构域和一个最近被鉴别出的基因KUA通过通读转录和编码区可变剪接的机制融合在一起。从头起源（de novo origination）尽管从原先非编码区域变为新基因的这种真正的从头起源很稀少。但是有很多基因的一部分蛋白编码区序列是从头起源的。比如，果蝇精细胞特异性的肌动蛋白中链基因sadic，原先内含子的一部分转变为一个编码蛋白质的外显子。混合机制（Combined mechanisms）新基因可以通过上述机制产生，既可以是单个机制在起作用，也可以是多种机制的共同作用。以jinwei基因为例，它是第一个得到仔细阐述的年轻基因。jinwei基因的起源突出表明了几种新基因产生的分子机制在共同起作用。jignwei基因并不是仅有的直接观察到的年轻基因系统，其他的例子包括sphinx基因和sdic基因，它仅存在于果蝇属中的一个种，并且基因的年龄要比和其他同属亲缘种进化分离的时间要短，不到三百万年。2. 新基因的进化（Evolution of new genes ）新生基因的命运(The fate of a newborn gene.):关于基因复制的命运的经典观点可以追溯到J.B.S.Haldane和R.A.Fisher的工作。他们认为随着不断的突变，基因复制对的一个成员最终失去功能，大多数基因的复制本最终以假基因的形式消亡。但是，最近一个亚功能化（subfuctionalization）的模型为高等真核生物中编码基因组中存在的众多的基因的复制本提供了一个可能的解释。尽管新功能化（neofunctionalization）也很重要.通过对年轻基因的分析，人们对新基因起源的进化驱动力和分子机制的了解取得了一定的进展。对单个新基因的分析为我们提供了所涉及过程的许多细节，并为后续的研究提出了问题。单个新基因的分析扩展到对新基因形成的速率和模式的基因组水平的分析已经近一步加深了对这个过程普遍性的了解。一个和通过这些方式的新基因形成有关的一个很明显的特征是新的序列，结构和表达的快速进化。大部分这些进化的改变是在正向达尔文选择下的适应性变化。就如几个在酵母和大肠杆菌中进行的新基因的选择性实验所证实的那样。这些研究表明新基因的产生并不是人们原先认为的是很稀少的事件。此外，关于的果蝇的逆转录转座基因从X染色体逃逸的发现也说明了新基因进化的一种普遍机制。然而，关于新基因进化的基因组过程人们还知之甚少，因为还没有鉴别得到足够数目的具有新功能的年轻基因。此外，新基因功能产生的速率仍待研究，而这是衡量生物如何以多大的速度改变他们的遗传多样性和功能复杂性以适应多变的外界环境的一个极好的标准。另外，新基因的种系分布将会为新基因的产生，速率和变异速率提供一个总体的轮廓。关于产生速率的随机过程模拟将有助于理解形成的过程。实验和计算基因组分析的方法鉴别新的基因功能都是卓有成效的。同时，十分紧迫的是实验检验新基因的生化和表型功能，这有助于理解在形成和进化过程选择是如何起作用的。尽管进一步的研究和对这次问题的理解有赖于对单个新基因仔细的理论和功能分析这需要和过去半个世纪进化和分子生物学家那样不懈的努力而且就我们所拥有的序列数据库和实验条件而言，现在拥有比十年前要好的多。随着基因组学自身的不断发展以及相关学科和生物技术水平的不断提高，我们有理由相信，基因组学在21世纪的科学发展历程中必将大放异彩，如一盏明灯为人类探索生命起源与进化照亮前路。让我们能够充分利用基因组这一自然赋予生命的神奇天书，造福人类，造福所有生命。我看生物学与其它学科的交叉 一位大三的学生让我们看两个在生命科学史上有着重大影响的事件作为开始。19世纪，孟德尔以当时科学家无法理解的方式，将数学和生物实验结合起来，发现了被后人称为“性状分离定律”和“自由组合定律”的遗传规律。几十年后，他的工作得到了人门的认可，而数学和遗传学研究至此也很好的联系起来，成为许多发现的基础。但遗憾的是，由于同时代的伟人达尔文没能重视这种研究手段，又缺乏和孟德尔必要的沟通，使得遗传学不能在当时向前再进一步。20世纪50年代，沃森和克里克发现了DNA的双螺旋结构，使得生物学的发展进入新的阶段。但这一发现，也有数学家和物理学家的必不可少功劳，正是数理化生科学家的共同努力，才产生了这一重大成果。两个同样伟大的成果都是在采用了非正统生物学研究手段下获得了成功。而其他生物学上的成果和他们一道，说明了这样一个道理：生命科学需要利用其它学科中的思想和研究手段。同时，也有许多新的研究手段和方法在上世纪诞生。如模拟进化的遗传算法，模拟人脑结构的神经网络算法，模拟人类思维的模糊控制等。再加上生物计算机，计算机免疫学等一系列带有仿生性质的科学，共同构成了当前研究的又一个热点。这也说明，其它的科学也在吸收生物学的灵感，共同促进科学事业的发展。在生命科学吸收其它科学的思想和研究手段同时，又将生物学思想带入其它学科。在今年5月下旬，我以” Evolutionary genomics ”为检索词（语言：中，英文；限制为综述）在Web of Knowledge上检索，共查出的13篇综述中，从摘要来看，大多都用到了数学方法。所有这些也都说明了，生命科学现在正在，将来也会更深入的与其它学科进行交叉。而且事实已经证明，这种交叉会产生很好的效果。一个方面，这种交叉会产生新的科学和技术，带来科学技术的全面进步（而且往往这种技术有很强应用价值），而另一方面，也是生物学家更感兴趣的一个方面，这些科学和技术又会反过来促进生命科学的发展。我对学科交叉的理解当然，关于学科交叉的问题也谈论了很多年了，但是，在这里，我也还想谈一下这个问题。（作为一名本科生，我时常能感觉到以前的一些想法是非常幼稚的，依此类推，我现在的想法在你们看来也可能会非常幼稚。在此种情况下，我将他们写出来，一是说明我现在真实的思维水平，这也应当是你们要求写作文的目的，二是表明我一直在关注这类问题）。按照我的体会，我把学科交叉分为两个层次。一是思维层次，一是技术层次。所谓思维层次，是利用其他学科中的思维方式，思维习惯，和一些模型，想法来解决自己的问题。如仿生学中来自于生命科学的灵感，孟德尔来自于概率统计中的灵感（这在今天看来应当属于普通的技术，但所有技术的第一次使用均要有思想，灵感）。当然技术层次，也就是利用一些技术手段来处理生物学问题，如统计中的回归，聚类，判别分析，物理中的X衍射，电镜等。思维层次要求将相关学科的知识有一定的领悟，这样才能融会贯通，找到灵感。同时应当学会以其