真核细胞的基因不像细菌的基因排列连续又有条理,它们被许多冗长的非编码序列分割成为一小段一小段。这些非编码序列又称为内含子,关于它们的进化历史,长久以来一直困扰着科学家,直到最近才有了新的发现。
虽然各个内含子之间有许多差异,不过现在通过辨认共有序列,我们了解到它们的来源都是某一种跳跃基因,这种基因会疯狂地复制自己,然后感染其他基因组,是一种自私的基因。它们的把戏其实也很简单,当一个跳跃基因被转录成为RNA时(通常是插在其他序列里面被一起读出),它会自动折成特殊的形状,变成RNA剪刀,把自己从长段序列上剪下来,接着以自己为模板,不断地把自己复制成DNA。这些新的DNA序列随后或多或少地会被任意插回基因组,变成自私基因的众多复制品。
跳跃基因有很多不同的种类,但都是类似模式的变形。人类基因组计划和其他的大型基因组测序计划,都可以证明这些跳跃基因在进化上的成功实在让人惊叹。人类基因组几乎有一半都是跳跃基因或其衰退的(突变的)残片,总计来说,人类全部的基因里大致有三类自私的跳跃基因,不管是死是活。
就某方面来说,死掉的跳跃基因(就是突变到一定的程度然后完全失去功能,因而无法跳跃)比活着的跳跃基因危害更大。因为活着的跳跃基因至少会把自己从RNA序列上切下来,而不至于造成任何实质上的伤害。而死掉的基因呢?它不会切掉自己,只会阻碍正常程序。如果这段基因不会切掉自己,那宿主细胞就要想办法除去它,不然它会进入蛋白质制造程序,从而引发大灾难。早期真核细胞刚进化出来的时候,确实发明了一些机制来切掉不想要的RNA。
这些机制很有趣,细胞其实只是利用跳跃基因自己的RNA剪刀,然后包上一些蛋白质就成了。所有现存的真核生物,从植物到真菌到动物,都在使用这些古老的剪刀,来切掉不想要的非编码RNA序列。因此,现在我们看到了真核细胞里面极为怪异的情况就是,真核细胞的基因组里缀满了自私的跳跃基因制造出来的内含子。每一次细胞读取一个基因的时候,就用从跳跃基因那里偷来的RNA剪刀,把这些不要的片段从RNA序列上剪掉。问题是,这些古老的剪刀速度有些缓慢,而这正是细胞需要细胞核的原因。
不管原因是什么,最早的真核细胞始祖现在要面临一个难解的麻烦。它被大量的内含子侵扰,而且因为RNA剪刀切去它们的动作不够快,很多内含子已经制造出一堆蛋白质了。这不一定会造成细胞死亡,因为无用的蛋白质最终会被分解掉,而慢速剪刀最终也会完成工作,让细胞开始制造好的蛋白质。不过就算不会造成死亡,也必定是极为可怕的灾难。
而解决之道就在眼前。根据马丁与库宁的想法,要重建秩序最简单的方法,就是确保RNA剪刀有足够的时间,可以在核糖体开始制造蛋白质以前把工作做完。换句话说,就是要确保带着内含子的RNA,会先经过剪刀处理,然后才送给核糖体。对细胞而言,只要区隔体内空间,把核糖体和邻近的DNA分开,就可以争取到足够的时间。用什么来分区呢?就用有洞的膜!只要征召现成的膜把基因包在里面,然后确保上面有足够的孔洞可以把RNA送出去,这样一切就完美了。因此,用来定义真核细胞的那个细胞核,并不是为了保护基因而产生的,根据马丁与库宁的说法,那是用来屏蔽细胞质里的蛋白质制造工厂的。
这个解决之道看起来是有点粗暴,但是它马上就体现出优势了。一旦跳跃基因不再构成威胁,内含子就变成一个好东西。一个原因是,它让基因以新鲜的方式组合,拼贴出各种有潜力的蛋白质,而这正是现在真核细胞基因的一大特色。如果一个基因被内含子分隔成五段,随着剪切内含子方式的不同,我们可以用同一个基因做出好几种相关蛋白质。在人类基因组里面大约只有2.5万个基因,用这种方法却可以做出至少6万种不同的蛋白质,多么丰富的变化呀!如果说细菌是终极保守者,那内含子就让真核细胞变成激进的革命者。
跳跃基因带来的第二个好处,就是帮助真核细胞扩充它的基因组。一旦适应了吞噬细胞的生活形态,真核细胞就摆脱了细菌时代那永无止境的劳役状态,不必为快速繁殖持续瘦身。真核细胞不再需要和细菌竞争,它只要在闲暇的时候吃一下细菌,消化它们即可。一旦不需要快速繁殖,真核细胞就可以开始累积DNA,直到难以想象的复杂度。跳跃基因帮助真核细胞扩充的基因库,比细菌多了数千倍。虽然大部分的DNA和垃圾没什么两样,有一些却可以成为新的基因或成为调控基因。之后复杂性的增加,只不过是扩充基因库不可避免的副作用。
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