□何積惠編譯
查爾斯?達(dá)爾文給他的論著冠以《物種起源》之名，其實(shí)，物種形成是他無法解釋的一個(gè)難題。他稱它為“謎中之謎”，甚至在時(shí)隔一個(gè)半世紀(jì)后，兩種動(dòng)物為什么會(huì)缺乏遺傳親和性的機(jī)理依然是生物學(xué)領(lǐng)域最令人困惑的謎團(tuán)之一。
我們理解達(dá)爾文筆下棲息于加拉帕戈斯群島的鳴禽是如何由單一的物種進(jìn)化而來的??不同的種群變得互為隔離，逐漸適應(yīng)不同的環(huán)境，直到它們不再能彼此繁殖為止。然而，物種形成還會(huì)以快速發(fā)生，不必經(jīng)由種群的物理隔離，這一點(diǎn)解釋起來要困難得多�？墒�，有一個(gè)單獨(dú)的基因竟匪夷所思地掌握著索解謎團(tuán)的鑰匙。
那個(gè)基因構(gòu)成了遺傳重組這一命運(yùn)攸關(guān)，卻看似風(fēng)馬牛不相及的過程的核心。在卵子和精子的生成期間，染色體會(huì)進(jìn)行配對、交叉并交換DNA片段，將你承襲自母系與父系的基因混合在一起。這番旨在梳理遺傳物質(zhì)的“洗牌”，正是賦予我們個(gè)體以特異性的本源。但重組也會(huì)在催生新的物種中發(fā)揮作用，這又是誰也不曾料想到的。
突破是伴隨著下述發(fā)現(xiàn)而取得的：控制遺傳交換的基因，還參與了在同類物種不同成員之間造成生殖不親和性的過程，而那種遺傳交換被冠以平淡無奇的名稱，叫作PR-結(jié)構(gòu)域包含9或者簡稱Prdm9。Prdm9亦即俗稱的“物種形成基因”，如果它的兩種作用被證明是有聯(lián)系的話，那么它可能就是進(jìn)化中“下落不明”的X因子。
排查X目標(biāo)鎖定
有一個(gè)未經(jīng)查明的基因的差異，至少在一定程度上造成了這種讓科學(xué)家費(fèi)解的生殖隔離。
Prdm9的故事始于1974年的布拉格，當(dāng)時(shí)年輕的遺傳學(xué)家伊日?福雷特正供職于捷克斯洛伐克科學(xué)院。他在對兩個(gè)小鼠亞種進(jìn)行雜交繁育的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，雙親基因?qū)崿F(xiàn)某種組合的雄性后代是沒有生殖能力的。進(jìn)一步的雜交實(shí)驗(yàn)表明：有個(gè)未經(jīng)查明的基因的差異至少在一定程度上造成了這種生殖隔離。實(shí)際上，基因創(chuàng)造的是兩個(gè)物種。這是脊椎動(dòng)物中第一個(gè)已知的物種形成基因，而且至今仍是唯一已知會(huì)引起“雜種不育”的基因。不過，在那個(gè)階段，其身份依然是曖昧不明的。
在迎接新千年的世紀(jì)之交，福雷特及其同事追根溯源，終于在小鼠第17號染色體剛好包含6個(gè)基因的區(qū)域里找到了它們的物種形成基因。然后，通過有系統(tǒng)地排查另外5個(gè)基因，他們把Prdm9基因這名“罪犯”逼得陷入了走投無路的絕境。
在牛津大學(xué)，進(jìn)化生物學(xué)家克里斯?龐廷也同時(shí)開始實(shí)施一項(xiàng)看似毫不相關(guān)的研究計(jì)劃：通過翻檢人類基因組，搜索使我們變得獨(dú)一無二的基因。“如果想要了解是什么使人類成為人類的緣由，那就得探明哪個(gè)基因在人類身上的進(jìn)化速度最快。”龐廷說。令他頗感意外的是，他不期然地遇到了幾個(gè)月前受到福雷特追蹤的同樣基因??Prdm9�！八匀祟�歷史上進(jìn)化最快的基因而著稱�！饼嬐⒙暦Q。人類與黑猩猩的差異涉及Prdm9中7%以上的DNA堿基，超出了物種間平均差異的5倍。
龐廷覺得奇怪的是，為什么他在搜尋進(jìn)化“短跑運(yùn)動(dòng)員”中竟會(huì)挖掘出一個(gè)所謂的物種形成基因，而不是影響語言或大腦等人類特異性狀的某些要素呢？隨著他的視野漸趨開闊，答案變得明明白白：縱觀整個(gè)動(dòng)物王國，從嚙齒目動(dòng)物和�？轿伵：腿湎x，Prdm9是以超常的速率在實(shí)現(xiàn)進(jìn)化的。這完全不是人類所獨(dú)有的特征。
探明X的功能
是什么基因釀成了這種局面呢？你猜得沒錯(cuò)，正是X??Prdm9，它在激活重組熱點(diǎn)方面起著決定性的作用。
龐廷拘囿于人類特異性的探索走進(jìn)了死胡同。但是，福雷特唯有內(nèi)行才懂的小鼠基因卻開始愈益顯示令人感興趣的一面。它是一個(gè)具有明顯進(jìn)化作用的基因，卻又跟不育這一進(jìn)化死胡同相掛鉤。毫無疑問，解決矛盾的關(guān)鍵在于探明Prdm9的功能�！皼]有一種基因會(huì)通過進(jìn)化而造就不育小鼠�！眮喞Ｄ谴髮W(xué)的進(jìn)化遺傳學(xué)家邁克爾?納赫曼說，“Prdm9在雜種不育中的作用是其正常功能純屬偶然的副產(chǎn)品。”但那種功能又是什么呢？答案很快就有了，可是，它卻來自另外一個(gè)方向。
遺傳重組最初是在一個(gè)世紀(jì)前得到表述的，但這方面的研究自從1931年遺傳學(xué)家兼諾貝爾獎(jiǎng)得主芭芭拉?麥克林托克論證交叉機(jī)理以來沒有取得多大的進(jìn)展。然而，著眼于整個(gè)基因組的測序能力，再度激發(fā)起對重組特別是交叉究竟發(fā)生在哪里這個(gè)問題的興趣。人們一直想當(dāng)然地認(rèn)為，它是從基因組的這一端向另一端隨機(jī)發(fā)生的，但更縝密的檢視卻揭示了交叉事件至少有80%發(fā)生在所謂的重組熱點(diǎn)上。(在人類基因組中至少有25000個(gè)這樣的點(diǎn)，雖然在卵子或精子生成時(shí)只有極少數(shù)處于激活狀態(tài)。)如果說熱點(diǎn)的存在是為了從基因組的要害區(qū)起給交叉鋪設(shè)渠道的話，那么這樣布局是合乎情理的。“重組包括斷開DNA，而你在修復(fù)DNA的時(shí)候往往會(huì)犯錯(cuò)誤�！迸＝虼髮W(xué)的統(tǒng)計(jì)遺傳學(xué)家吉爾?麥克維恩說。所以，緊扣熱點(diǎn)而不為基因所羈絆，當(dāng)然可能被視為一件好事。
然后，時(shí)至2008年，麥克維恩和他的同事西蒙?邁耶斯發(fā)現(xiàn)，大約40%的熱點(diǎn)具有相同的含有13個(gè)堿基的DNA序列或基元，他們意識到或許有某種機(jī)制會(huì)自動(dòng)導(dǎo)向激活熱點(diǎn)和觸發(fā)重組的基元。最有可能擔(dān)當(dāng)這一職責(zé)的是所謂的鋅指蛋白，亦即辨識特定的DNA序列并與其相結(jié)合，通常有助于啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄過程的鑰匙狀分子。
去年，有三個(gè)研究小組獨(dú)立驗(yàn)證了參與其間的蛋白。按照麥克維恩、法國人類基因組研究所的貝爾納?德?馬西和美國杰克遜實(shí)驗(yàn)室的肯尼斯?佩根所率領(lǐng)小組的說法，這的確是鋅指蛋白。那么，是什么基因釀成了這種局面呢？你猜得沒錯(cuò)，正是Prdm9。三項(xiàng)研究綜合在一起所提供的強(qiáng)有力證據(jù)，指向了Prdm9在激活重組熱點(diǎn)方面所起的決定性作用，其中至少有40%包含著麥克維恩所說的13堿基基元。參與研究的人大多認(rèn)為，Prdm9或許發(fā)揮著一種更加無所不在的作用，而且還能識別其他熱點(diǎn)基元，只是目前尚無其他基元被“驗(yàn)明正身”。
X為什么進(jìn)化很快
Prdm9就是為變化而構(gòu)筑的。經(jīng)它編碼的蛋白質(zhì)有好些鋅指，人類版本大多為12或13個(gè)。
有關(guān)Prdm9功能的發(fā)現(xiàn)，至少能進(jìn)一步彰顯它為什么進(jìn)化得那么快的原因。每次發(fā)生交叉的時(shí)候，斷開點(diǎn)周圍的DNA序列就會(huì)丟失一部分，從而抹掉染色體上與Prdm9蛋白相結(jié)合的熱點(diǎn)基元。細(xì)胞會(huì)通過復(fù)制其他配對染色體中未受損區(qū)域的序列，藉以補(bǔ)綴這個(gè)漏洞。但是，偶爾也有個(gè)體在僅存染色體的那個(gè)部位攜帶熱點(diǎn)基元，只要一修復(fù)就會(huì)將熱點(diǎn)抹掉。于是，當(dāng)卵子和精子生成之際，熱點(diǎn)理應(yīng)會(huì)隨著時(shí)間流逝而一個(gè)接一個(gè)地逐漸歸于消隱，直到什么也不剩為止。顯然，那種情景并沒有發(fā)生，Prdm9提供了理由：如果說多數(shù)基因的突變每每帶有破壞性的話，那么任何改變Prdm9鋅指蛋白的突變只不過是更動(dòng)與它結(jié)合的DNA序列，逐漸形成新的熱點(diǎn)基元。“既然需要重組，你就不會(huì)希望基元遭到侵蝕�！丙溈司S恩說，“但是，如果你擁有的基因會(huì)不斷改變與它相結(jié)合的對象，侵蝕也就不成問題了。你可以趁它尚未構(gòu)成威脅之前給基元挪動(dòng)一個(gè)位置。”
更何況，Prdm9就是為變化而構(gòu)筑的。經(jīng)它編碼的蛋白質(zhì)有好些鋅指，人類版本大多為12或13個(gè)，它們的編碼序列依次經(jīng)排列而形成一個(gè)有小衛(wèi)星之稱的結(jié)構(gòu)。出于尚未被完全理解的原因，小衛(wèi)星的突變傾向尤為顯著，所以Prdm9仿佛是全副武裝地同侵蝕熱點(diǎn)展開進(jìn)化競賽的。事實(shí)上，據(jù)麥克維恩推測(但還無法證明)，Prdm9蛋白的鋅指可能在Prdm9基因本身內(nèi)部即同基元相結(jié)合，成為靠自身實(shí)力而存在的重組熱點(diǎn)，所以會(huì)表露出甚至進(jìn)化更快的傾向。
由此勾勒出的是一幅基因組紛繁忙碌的圖像。熱點(diǎn)會(huì)按照超過數(shù)百上千代的延時(shí)序列，始終忽隱忽現(xiàn)地貫穿于整個(gè)基因組，而推動(dòng)變化如擊鼓般一刻不停的“引擎”正是Prdm9。這一事實(shí)至少意味著：攜帶不同Prdm9基因變異的個(gè)體，它們動(dòng)用的熱點(diǎn)是不一樣的，甚至采取的重組策略也是不盡相同的。麥克維恩指出，這一點(diǎn)還有可能對不同的人易患遺傳疾病的傾向產(chǎn)生影響，因?yàn)橹亟M中導(dǎo)致對DNA意外復(fù)制或刪除的誤差，常會(huì)引起諸如進(jìn)行性神經(jīng)性肌萎縮和某些遺傳性神經(jīng)病等的特殊疾病。
X或許普遍存在
繁殖隔離基因或許會(huì)成為動(dòng)物中某種普遍存在，因而顯得無比美妙。
照此說來，Prdm9在重組中的作用就能解釋其極為快速的進(jìn)化了，那么它同物種形成又有什么聯(lián)系呢？以某種方式指定染色體交換物質(zhì)的點(diǎn)，是否使Prdm9強(qiáng)大到足以令卵子和精子無法形成某種組合，或者說，這兩種獨(dú)立的能力是否是純屬偶然地被結(jié)合進(jìn)一個(gè)基因的？多數(shù)研究人員傾向于第一種解釋�！捌渲写嬖谀撤N共同機(jī)制是言之有理的�！备＠滋卣f。
Prdm9變異不親和的小鼠，顯然是不會(huì)生育的，但眼下還沒有人甚至去探尋Prdm9與小鼠以外物種的不育聯(lián)系。然而，我們又確切地知道，不同譜系的人類有時(shí)候會(huì)攜帶Prdm9的不同變體。例如在多數(shù)歐洲人的身上，Prdm9蛋白有13個(gè)鋅指，但是數(shù)字從8至18不等。經(jīng)福雷特雜交的小鼠，倘若遇到如此懸殊的差異，那是足以繁衍出不育后代來的。這一點(diǎn)是否對人類同樣適用呢？龐廷認(rèn)為這是值得深入探究的。“這種基因變異猶如打入的楔子，可能正在離間我們?nèi)祟惒煌貐^(qū)的種群�！彼f。
這是一個(gè)誘發(fā)好奇心的構(gòu)想，但直到今天，似乎仍沒有證據(jù)為它提供依托。發(fā)明DNA指紋識別技術(shù)的亞列克?杰弗里斯和他在英國萊斯特大學(xué)的同事，將承襲自雙親版本相同的Prdm9的男子跟承襲不同版本的男子作了精子計(jì)數(shù)比較。據(jù)研究小組一位成員透露，按照精子采樣中的DNA當(dāng)量來估算，版本“混雜”的男子并不存在精子計(jì)數(shù)降低的傾向。
當(dāng)然，精子計(jì)數(shù)不是衡量繁殖力的唯一標(biāo)桿，同理解Prdm9與雜交不育的聯(lián)系也沒有太大的瓜葛。當(dāng)前的問題是：重組熱點(diǎn)相異的兩個(gè)個(gè)體為什么會(huì)形成不親和性的原因仍不明確。繼續(xù)研究小鼠可望通過揭示Prdm9與其他基因的相互作用來解決這個(gè)問題。Prdm9固然是主角，但沒有一個(gè)基因完全是孤立運(yùn)行的。事實(shí)上，除了福雷特在X染色體上鎖定的Prdm9外，還有一個(gè)身份未知的基因也成為關(guān)注的焦點(diǎn)。一旦這些“角色”的來龍去脈都搞清楚了，可能會(huì)更容易理解Prdm9是否和如何促成包括人類在內(nèi)的其他物種的不育的。
“我們可以推測的是，生殖隔離基因或許會(huì)成為動(dòng)物中某種普遍存在，因而顯得無比美妙�！备＠滋卣f。如果事情真是這樣，那么Prdm9將會(huì)成為索解達(dá)爾文物種分裂之謎的一把鑰匙。屆時(shí)，參與貌似無關(guān)痛癢的遺傳交叉過程的基因，才真正稱得上是進(jìn)化的X因子。
來源：文匯報(bào)
本文來自：逍遙右腦記憶 http://www.yy-art.cn/chuzhong/827761.html
相關(guān)閱讀：初中生物知識點(diǎn)總結(jié)：免疫與健康