這似乎是不可能的——神秘的新基因竟會(huì)從“垃圾"DNA中產(chǎn)生，但的數(shù)據(jù)卻支持這個(gè)理論。

和人類(lèi)一樣，基因也有家族——穿越時(shí)間的紐帶將它們與一位始祖在一起。那個(gè)祖先不斷復(fù)制和擴(kuò)散，每經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)都會(huì)有些許改變。

過(guò)去40年的大多數(shù)時(shí)間里，科學(xué)家們都認(rèn)為這就是新基因誕生的基本方式——從已有基因的拷貝中產(chǎn)生。原來(lái)的版本繼續(xù)忠實(shí)地執(zhí)行使命，新的版本則獲得了演化出新功能的自由。

然而，某些基因似乎是要挑戰(zhàn)這個(gè)zui初的觀點(diǎn)。它們沒(méi)有已知的親戚，和別的基因毫無(wú)相似之處。它們就像分子版的神秘野獸——隱藏在偏遠(yuǎn)雨林的深處，似乎與地球上其他任何生物都毫不相干。

“孤兒基因"從何而來(lái)的謎團(tuán)已經(jīng)困擾了科學(xué)家?guī)资?。但近幾年?lái)，一種曾被視為異端邪說(shuō)的解釋變得越來(lái)越有影響力——許多孤兒基因來(lái)自所謂的“垃圾DNA"，也就是基因與基因之間神秘的非編碼DNA片段。加州大學(xué)戴維斯分校的生物學(xué)家David Begun形容道：“不知怎的，遺傳功能就這樣出現(xiàn)了。"

新基因產(chǎn)生的鼓點(diǎn) 在老鼠世系的演化歷史（圖中紅線所示）中，新的基因似乎是集中在幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)上出現(xiàn)。大約800萬(wàn)年前的新基因產(chǎn)生高峰與地球走出“雪球"狀態(tài)的時(shí)間一致，在此之前，地球幾乎*是冰封的。zui近的一次高峰代表著許多新產(chǎn)生的基因，它們中有許多此后將在演化中消失。如果所有的基因都是通過(guò)復(fù)制產(chǎn)生的，它們應(yīng)該全部在生命起源不就之后產(chǎn)生，也就是大約38億年前（圖中綠線所示）。圖片來(lái)源：Tautz and Domazet-Lo?o,，Nature Reviews Genetics，2011

這種從非編碼DNA到基因的轉(zhuǎn)變?cè)徽J(rèn)為是不可能的。然而，從酵母、果蠅到老鼠和人類(lèi)，越來(lái)越多來(lái)自不同生物的例子已經(jīng)讓大多數(shù)專(zhuān)家相信這些從頭起源基因（de novo genes）的確存在，一些科學(xué)家認(rèn)為它們甚至可能是很常見(jiàn)的。就在不久前，在維也納舉行的分子生物學(xué)與演化學(xué)會(huì)（Society for Molecular Biology and Evolution）年會(huì)上公布的一項(xiàng)研究新識(shí)別出了600個(gè)潛在的人類(lèi)基因。巴塞羅那馬爾醫(yī)院研究所（Hospital del Mar Research Institute）的演化生物學(xué)家Mar Albà 作了這場(chǎng)報(bào)告。他說(shuō)：“人們?cè)瓉?lái)認(rèn)為從頭起源基因是很罕見(jiàn)的，但現(xiàn)在他們開(kāi)始越來(lái)越頻繁地發(fā)現(xiàn)這類(lèi)基因。"

研究人員開(kāi)始意識(shí)到，從頭起源基因可能是基因組重要的一部分，但依然不清楚它們的數(shù)量有多少，功能是什么。更重要的是，這類(lèi)基因的突變會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。德國(guó)明斯特大學(xué)（University of Münster）的生物信息學(xué)家Erich Bornberg-Bauer說(shuō)：“看來(lái)，這些新的基因通常也是zui重要的基因。"

追蹤孤兒基因

成千上萬(wàn)的已知基因家族中，許多基因的產(chǎn)生能夠用標(biāo)準(zhǔn)的基因復(fù)制模型解釋。但這個(gè)模型也有局限，它意味著絕大多數(shù)新基因的創(chuàng)造活動(dòng)在生物演化史的極早期就都完成了，35億年前zui早的生物大分子就已創(chuàng)立了一系列遺傳學(xué)的基本結(jié)構(gòu)單元，之后生命每歷經(jīng)一輪循環(huán)都只能對(duì)這些結(jié)構(gòu)單元做細(xì)微的改動(dòng)。然而，如果生命的工具箱內(nèi)容如此有限，今天地球上如此豐富多彩的生物王國(guó)又是如何通過(guò)演化產(chǎn)生的呢？Bornberg-Bauer指出：“如果新的零件只能從舊的產(chǎn)生，我們將很難解釋演化過(guò)程中根本性的變化。"

20世紀(jì)90年代，隨著DNA測(cè)序技術(shù)的興起，*條證據(jù)出現(xiàn)了，它說(shuō)明嚴(yán)格的復(fù)制模型是不足以解釋所有基因的起源的。在分析酵母基因組的過(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)有三分之一的酵母基因和來(lái)自其他生物體的已知基因沒(méi)有相似性。當(dāng)時(shí)，許多科學(xué)家認(rèn)為這些孤兒屬于還未被發(fā)現(xiàn)的基因家族，但這個(gè)假設(shè)沒(méi)有得到證實(shí)。近十年來(lái)，科學(xué)家對(duì)成千上萬(wàn)種生物的DNA進(jìn)行了測(cè)序，但許多孤兒基因依然沒(méi)能被歸類(lèi)，它們的來(lái)源依然是一個(gè)謎。

2006年，Begun發(fā)現(xiàn)了*個(gè)證據(jù)，非編碼DNA中的確能產(chǎn)生新的基因。他比較了標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室果蠅（Drosophila melanogaster）和其他果蠅物種的基因序列。不同種果蠅的基因組大部分是相似的，但Begun和他的同事發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)基因，它們僅僅在一兩個(gè)物種中存在，意味著它們不是已有基因祖先的后代。Begun 提出，果蠅非編碼DNA的“隨機(jī)"序列可能可以通過(guò)突變轉(zhuǎn)化為有功能的基因。

然而，從隨機(jī)的DNA序列中創(chuàng)造基因看起來(lái)幾乎是不可能的，這簡(jiǎn)直就像是把一罐印了字母的積木塊隨意地倒在地上，指望它們能自動(dòng)拼成一句通順的句子。“垃圾DNA"必須積累一定的突變，使它能被細(xì)胞讀取、轉(zhuǎn)錄為RNA，或是成為調(diào)控元件，指示基因應(yīng)該在何時(shí)何地被激活。并且，和句子一樣，基因也要有開(kāi)頭和結(jié)尾，一定要有短序列指明它在哪里開(kāi)始、又在哪里結(jié)束。

此外，基因產(chǎn)生的RNA或蛋白質(zhì)必須是有用的。新產(chǎn)生的基因可能是有害的，可能會(huì)產(chǎn)生有害蛋白，就像阿爾茨海默病患者大腦中凝集成塊的蛋白質(zhì)一樣。圖森市亞利桑那大學(xué)的生物學(xué)家Joanna Masel告訴我們：“蛋白質(zhì)很容易錯(cuò)誤折疊并帶來(lái)破壞。鑒于隨機(jī)序列的產(chǎn)物會(huì)造成很多麻煩，這就很難解釋它們是怎樣制造出有用的新蛋白質(zhì)的。"Masel正在研究演化是怎樣解決這個(gè)問(wèn)題的。

Begun的假設(shè)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是，把從頭起源基因和那些經(jīng)歷巨變后與不再與祖先相像的基因區(qū)分開(kāi)來(lái)不是件容易的事。（確定真正的從頭起源基因很有難度，這依然是該領(lǐng)域內(nèi)爭(zhēng)論的來(lái)源之一。）

十年前，馬普演化生物學(xué)研究所的生物學(xué)家Diethard Tautz和許多研究人員一樣，對(duì)Begun的想法持懷疑態(tài)度。Tautz找到了孤兒基因產(chǎn)生的另一種解釋?zhuān)阂恍┥衩氐幕蜓莼梅浅？?，使得它們與祖先的相似之處難以被辨識(shí)；另一些則由已有基因碎片的重新組合產(chǎn)生。

后來(lái)，他的研究團(tuán)隊(duì)偶然發(fā)現(xiàn)了Pldi基因，這個(gè)基因是用前阿森納球員波多爾斯基（Lukas Podolski）的名字命名的。小鼠、大鼠和人類(lèi)都有這段序列。在后兩個(gè)物種里，這段DNA保持沉默，也就是說(shuō)不會(huì)被轉(zhuǎn)化為RNA或蛋白質(zhì)。它只在小鼠里有活性，能夠被轉(zhuǎn)錄為RNA，并且有著重要的作用。雄性小鼠如果缺失這個(gè)基因，它們的精子將會(huì)游動(dòng)得更遲緩，睪丸會(huì)更小。

研究人員成功追蹤到了將這段沉默的非編碼DNA轉(zhuǎn)化為活性基因的一系列變異。這項(xiàng)研究顯示，該基因的確是從頭產(chǎn)生的，而不是屬于已有的基因家族，只是在演化過(guò)程中變得面目全非了。Tautz說(shuō)：“這時(shí)候我想，好吧，它（從頭起源基因）一定是可能的。"

蜂擁而至的新基因

科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)確定了不少支持基因從頭產(chǎn)生的明白無(wú)誤的例子：酵母中一個(gè)決定有性還是無(wú)性生殖的基因；果蠅和其他雙翅目昆蟲(chóng)中一個(gè)關(guān)鍵的飛行基因；還有一些只在人類(lèi)中發(fā)現(xiàn)的基因，它們的功能尚未查明。

在今年的分子生物學(xué)與演化學(xué)會(huì)年會(huì)上，Albà及其合作者發(fā)布了他們的成果。使用強(qiáng)大的RNA分析新技術(shù)，他們?cè)谌祟?lèi)和黑猩猩的基因組中鑒別出了幾百個(gè)推定為從頭起源的基因，這個(gè)數(shù)目是此前研究得到的基因數(shù)目的整整10倍。Albà小組找到的600個(gè)人類(lèi)*的基因中，80%是全新的，之前還從來(lái)沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)過(guò)。

不幸的是，破譯從頭起源基因的功能要比鑒別它們困難得多。但至少，它們中的一部分不是等閑之輩。證據(jù)表明，一部分新基因很快變得至關(guān)重要，比如果蠅20%的新基因是生存所必需的。還有很多新基因帶有自然選擇的痕跡，說(shuō)明它們對(duì)生物體有所貢獻(xiàn)。

至少有一個(gè)人類(lèi)的新基因在腦中表達(dá)得很活躍，使得一些科學(xué)家猜測(cè)這樣的基因可能推動(dòng)了腦的演化。還有的突變與癌癥相關(guān)，說(shuō)明它們?cè)诩?xì)胞中有著重要的功能。都柏林圣三一學(xué)院的遺傳學(xué)家，曾鑒定了*個(gè)人類(lèi)的從頭起源基因的Aoife McLysaght說(shuō)：“功能失常會(huì)導(dǎo)致如此嚴(yán)重的后果，這說(shuō)明該基因的正常功能很重要，或是它能造成很大的影響。"

水性楊花的蛋白質(zhì)

對(duì)從頭起源基因的研究也在促進(jìn)一個(gè)更大的觀念轉(zhuǎn)變，它們改變了我們對(duì)蛋白質(zhì)形態(tài)和功能的理解。從頭起源基因通常很短，產(chǎn)生的蛋白質(zhì)比較小。傳統(tǒng)的看法認(rèn)為蛋白質(zhì)應(yīng)該會(huì)折疊成一個(gè)的結(jié)構(gòu)，而從頭起源的新蛋白有著更為無(wú)序的結(jié)構(gòu)，這讓它們較為松弛，能夠和種類(lèi)更多的分子結(jié)合。用生物化學(xué)的說(shuō)法，這些新生的蛋白質(zhì)是混雜（promiscuous）的。

科學(xué)家對(duì)這些短鏈蛋白質(zhì)的行為依然知之甚少，很大程度上是因?yàn)槌Ｒ?guī)的篩查技術(shù)容易忽略它們。大多數(shù)尋找基因及其相應(yīng)蛋白質(zhì)的手段會(huì)挑出與已知基因相似的較長(zhǎng)序列。Begun說(shuō)：“我們很容易漏掉它們。"

這樣的現(xiàn)狀正在改變，科學(xué)家意識(shí)到了短鏈蛋白質(zhì)的重要性，正開(kāi)始采用探測(cè)基因的新技術(shù)，從頭起源基因的數(shù)目很可能因此而有爆炸式的增長(zhǎng)。Masel說(shuō)：“我們還不知道這些較短基因的具體功能，對(duì)于它們的生物學(xué)功能，我們還有很多要探索。"

科學(xué)家還想弄清一個(gè)特別令人困惑的問(wèn)題：從頭起源基因是怎樣整合入驅(qū)動(dòng)細(xì)胞運(yùn)作的復(fù)雜反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的。這就像一輛自行車(chē)自發(fā)長(zhǎng)出了一個(gè)新零件，又很快地將它整合進(jìn)自己的機(jī)械裝置之中，盡管沒(méi)有這個(gè)零件自行車(chē)也能很好地運(yùn)作。Begun說(shuō)：“這個(gè)問(wèn)題非常有吸引力，但也是*未知的。"

一個(gè)叫做ESRG的人類(lèi)*基因是這個(gè)謎團(tuán)很好的例子，它的一些片段在猴子和其他靈長(zhǎng)類(lèi)中也有發(fā)現(xiàn)。但這個(gè)基因只在人類(lèi)中有活性，并對(duì)維護(hù)zui初的胚胎干細(xì)胞非常重要?？墒?，猴子和黑猩猩無(wú)需它也能很好地制造胚胎干細(xì)胞。McLysaght指出：“這個(gè)人類(lèi)*基因執(zhí)行的功能必定先于此基因存在，因?yàn)槠渌镆灿羞@些干細(xì)胞。"

 “新基因如何獲得功能？它又是如何成為細(xì)胞生命過(guò)程的一部分？"McLysaght說(shuō)，“對(duì)我來(lái)說(shuō)，這是眼下zui為重要的問(wèn)題。"