進化最大的壓力是“饑餓”

基因組可以大膽地“玩轉”突變，通過20世紀80年代和20?世紀90年代所進行的一系列研我們能夠進一步洞悉這位豪賭者的非凡魄力。1987哈佛大學研究員約翰?凱恩斯在自然雜志上 發表一篇富于煽動性的報告，由此掀開了整個探詢活動的序幕。在這份報告中，凱恩斯提出應當重新考量獲得性遺傳理論的價值；而正是這一理論使拉馬克當年蒙受了不白之冤，飽受垢庇。這一次， 約翰?凱恩斯選擇了一種已為人類宿主和其他宿主所“熟知”的細 菌——大腸桿菌作為研究對象。大腸桿菌是一類非常常見的細菌,?結構清楚，一直以來都成為微生物學家們的研究對象（盡管幾個?“害群之馬”零星的興風作浪讓大腸桿菌背上了可怕的惡名，但大 腸桿菌所帶來的好處則要遠遠超過所謂種種不利。前文中，我們也 提及相應內容；實際上，在我們的消化系統中它們可稱得上是任勞 任怨的模范)。

作為人體內忠于職守、勤勤懇懇的消化大軍，不同的大腸桿菌有著不同的“口味”偏好。比如，其中的一種就不能分解消化來自 奶中的乳糖。對這些細菌們來說，進化最大的威脅或壓力就是“饑 餓”。凱恩斯的實驗正是基于大腸桿菌的這一特征進行的：以乳糖 作為營養源來培養存在乳糖消化缺陷的大腸桿菌。結果十分令人驚 奇，這種細菌通過突變獲得乳糖適應特性的速度遠遠超出了預計的 可能。正像麥克林托克通過玉米研究得到結果一樣，大腸桿菌的突 變似乎也針對基因組中特異的區域，即最易發生突變的優勢區域。 通過分析，凱恩斯認為細菌可以選擇性地進行突變，并能夠將由此 取得的特性能力（如消化分解乳糖）傳遞給后代細菌。在討論中， 凱恩斯向進化論發出了鮮明的挑戰。他寫道，大腸桿菌能夠根據需 要選擇性地進行突變，因此可能存在一種獲得性遺傳的相應機制。 凱恩斯的論點獨樹一幟。

此后，研究者們便開始陸續投入相關的研究工作中，以期能夠證明、反駁，或者試圖解釋凱恩斯的工作。凱恩斯報告發表一年 后，一位來自羅徹斯特大學的科學家巴里?霍爾研究指出，突變率 的大幅度提高是促使細菌可以迅速適應乳糖營養環境的原因。霍爾 將這種現象稱為“超突變”，其作用有點類似于人體內類固醇代謝 的突變。他認為，這種突變有助于細菌產生保存自身所必需的突 變，其速率較一般突變高大約100萬倍。

1997年，后續的其他研究進一步加強了?“超突變”理論的可信度。當利用乳糖取代正常營養條件時，大腸桿菌的突變率顯著提高。研究報告指出，這種突變并非只是局限于凱恩斯所觀察到的乳糖適應性的改變，而是包含了針對整個基因組不同區域的多種突 變。與凱恩斯的研究相比，后續的研究結果大大豐富了可能出現的 突變類型，但更為重要的是這種突變率整體性提高的現象說明，在 一般性遺傳突變束手無策時，基因組能夠相時而動，重新安排調整 突變的發生。在法國國家衛生與醫學研究院，由伊萬?馬泰所率領 的研究隊伍對來自世界各地數以百計的細菌進行研究后發現，當存 在環境壓力時，驟升的突變水平仿佛將這些細菌帶入了進化的超時 空機器中，使其快速適應環境的變化。然而，盡管相應的支持證據 在不斷增加，但針對“超突變”的討論仍在繼續。

大自然版的動態遺傳工程

瘋狂的玉米也好，像飛人喬丹一樣的基因也好，甚至獲得乳糖耐受性的細菌，其變化都利于相應生命物種的生存。但你可能會問:?這一切同我們人類又有怎樣的聯系呢？在我們潛入人類基因庫探詢答案之前，讓我們先從一個公認的遺傳原理——魏茨曼屏障開始來 回顧一下若干相關的遺傳規則。在19世紀，生物學家奧古斯特?魏 茨曼創立了種質理論。他將人體的細胞劃分為兩類，即生殖細胞和 體細胞。生殖細胞所包含的信息將傳遞給下一代；卵子和精子是最終的生殖細胞，而胚系則包括了每個參與創造卵子或精子的細胞， 它們都來自受精后所產生的一個細胞——接合體。構成我們身體的 其他細胞都屬于體細胞，比如紅細胞、白細胞、皮膚細胞、毛發細 胞。只有生殖細胞的信息可由父代傳遞給子代，而體細胞信息則不 能；這也就是說只有卵子或精子中發生的突變能夠傳遞給下一代， 而任何一種體細胞突變，包括血細胞突變都無法由此途徑進行傳遞。

除此之外，生殖細胞和體細胞之間存在著魏茨曼屏障。該理論 認為，體細胞信息永遠都不會傳遞給生殖細胞。因此，只有發生在 生殖細胞的突變才能夠傳遞給下一代；而體細胞突變則只能退出遺 傳的歷史舞臺。但這并不意味著胚系中的突變不能影響后代的體細胞特性。需要著重指出的是，建立和保持你身體所需的指導信息都 來自父母的胚系。所以，發生在胚系中的突變，如改變決定頭發顏 色的信息，則都會影響到下一代的相應特征。

魏茨曼屏障已經成為遺傳學研究的一項重要的組織原則。但一 些研究結果顯示，這一理論并非如我們所認識的那樣堅不可摧。某 些逆轉錄病毒就能夠突破魏茨曼屏障，將來自體細胞的DNA轉移 到生殖細胞中，下文中我們將馬上能夠了解到更詳盡的信息。如 此，便為獲得適應性的遺傳提供了理論上的可行性。

這也意味著那位被張冠李戴了他人理論，蒙受不白之冤，卻因此而飽受非議的拉馬克才真正得到了具有價值的原創思想。

從進化的角度來看，我們最熟悉的是胚系突變，這種突變將會導致卵子或精子中出現一個新的基因，從而使后代出現某種新的性狀。正如你所知，如果改變后的性狀能夠提升后代的生存能力或繁 殖水平，那么通過帶有這個性狀的個體就可以將其遺傳給后代， 并最終擴散到整個群體中。與之相對應，如果新性狀導致生存或 繁殖能力的下降，那么帶有該性狀的個體將逐漸減少，而此性狀 也將在群體中銷聲匿跡。另一方面，突變并非僅僅局限于胚系 中。癌癥就是一個最普遍，也是最可怕的例子。本質上來說，癌 癥就是細胞不受控制的生長。在癌細胞中，某些原本抑制生長的 基因發生了突變，從而導致了這種惡性生長。其中，一部分癌癥 能夠，或者說至少部分能夠遺傳，如BRCA1或BRCA2基因突變 將顯著增加患乳腺癌的風險，這些導致疾病的突變能夠代代遺 傳。而引發另一些癌癥的基因突變則是由外界刺激所觸發的，如 吸煙或遭受輻射。

其實，大多數突變，尤其是體細胞突變如吸煙所導致的肺細胞突變，想發揮作用并非易事。生物有機體，特別是人類，可以說件 件都是自然巧奪天工的復雜杰作，而這一點具有重要的生物學意 義;如果其中復雜的生命過程受到干擾就會造成麻煩。從定義上來 理解，突變并不一定就意味著是有害的，它只是一種不同；跳躍基因通過兩個重要的途徑對人類發揮有益作用，而這一認識也可能恰 恰是引領我們認識和理解這兩個途徑的關鍵所在。

跳躍基因在正常的腦發育過程中發揮著重要作用。在發育的早期階段，這些基因十分活躍，遺傳物質幾乎是被隨機地插人腦細胞 基因的相應位置。跳躍基因每完成一次“跳躍”，即插入遺傳物質， 從技術上講，就形成了一個突變。而所有這一切進行遺傳物質的跳 躍就可以幫助創造出多樣的并且富于個性化的腦，每一個都獨一無 二。復雜而多變的大腦賦予了每個人不同的個性，我們由此受益良 多，這也正是為何腦發育過程中包含了大量遺傳物質編輯、重構的原因。一般遺傳復制和粘貼操作只發生在腦部，因為這正是我們受益的個性.但正如發現這一現象的主要研究人員所稱，“你絕不會期望在你的心臟中也增加同樣的個性”。

大腦中的神經網絡并非是唯一需要多樣性的復雜系統。身體免疫系統也選擇了同樣的策略。可以說，免疫系統將這種遺傳多樣性 的策略發揮到了極致。如果沒有這樣一種多變免疫系統，我們恐怕 根本無法形成一個物種存活下來；沒有它，我們這個物種也將無法 存活如此之久。為應對大量威脅我們健康的潛在的入侵微生物，人 體免疫系統發展出超過100萬種特異性的抗體蛋白來針對特定的侵 略者。至今，我們仍無法徹底了解產生如此之多特異蛋白的機制， 特別是當我們缺乏足夠的基因來給出合理的解釋時（注意，只有?20 000?25 000活躍的編碼基因，而我們面對的是超過100萬種可 能性的抗體蛋白）。現在，來自約翰?霍普金斯醫學院的科學家們 領導了一項新的研究，它將免疫系統產生抗體的機制同跳躍基因的

活動聯系在一起。

B細胞是抗體的基本生產單位。當需要產生特異性抗體時，B?細胞在其DNA信息中尋找相應的“生產指南”；當然，這一信息 同其他抗體的“生產指南”是交織在一起的。它們從基因信息庫 中將目標指南從交織在一起的“生產指南”中剪切出來，并將剩 余的信息重新拼接起來。這基本相當于重新編排了自身的遺傳密 碼，并通過這一過程產生特定的基因。這就是所謂的V (D) J重 組，其命名就是依據上述搜尋一剪切一拼接所出現的基因區域所 制定的。

這個過程類似于某些跳躍基因發揮作用時所采用的剪切和粘貼機制。但其中有一點關鍵性的區別：經過V (D) J重組后，重新 連接的鏈上會留下一個小環，不是完全整齊的連接。科學家們從未 在跳躍基因中見過類似的效應，但霍普金斯研究小組在普通蠅類中 發現了一個命名為赫耳墨斯的跳躍基因作用的過程類似于V (D) Jo從事該項研究的一位科學家——南希?克雷格談到：

同已發現的任何一種跳躍基因相比，赫耳墨斯的表現都更接近 于免疫系統識別上百萬種不同蛋白質的過程。這一結果第一次提供 了?一個確衡的證據來說明（抗體）多樣化產生機制可能由一^個同赫 耳墨斯非常接近的跳躍基因進化而來。

一旦你的身體能夠產生針對入侵者的特異性抗體，你就可以隨時對他們進行調動，即一旦人侵者再次出現，抗體就能夠及時給予 你幫助。在某些情況下，你甚至會產生相應免疫，就如同大多數人 出水痘的情況一樣。盡管我們可以擁有發生了上述突變的B細胞， 但是這些突變卻無法傳遞給下一代，因為它們都屬于體細胞突變， 同生殖細胞之間存在魏茨曼隔離。嬰兒出生后僅僅帶有極少量的抗 體，所以其免疫系統必須髙效工作。在嬰兒的免疫系統發育成熟并 發揮作用之前，之所以鼓勵母乳喂養的原因之一就是因為母乳中含 有母親的抗體，而喂養母乳就相當于對嬰兒進行被動免疫，可以預 防感染。現在，我們才剛剛開始認識可移動的跳躍基因在生命進化 中所發揮的作用。毫無疑問，迄今為止它們所發揮的作用要遠遠超 越我們所了解的范圍。有證據顯示，至少四分之一人類基因中的活 躍編碼基因都是通過跳躍基因整合到DNA中。

針對跳躍基因的作用，約翰?霍普金斯醫學院的分子生物學和 遺傳學教授杰夫?博克提出：

我們現在才逐漸認識到跳躍基因已經大大重塑了宿主基因組。這些改變常常可能是災難性的，但某些情況下它們能夠增加遺傳的 多樣性，甚或提升物種的生存能力和適應性。而在人類進化過程 中，這種重構可能已經發生了成千上萬次。

現在我們已經認識到在人類的進化史上出現了許多次大規模的 環境變化。很難想象，隨機、漸進的突變能夠使我們迅速適應變 化，生存下來。著名的進化思想家斯蒂芬?.古爾德和尼爾斯埃 爾德雷發展了間斷平衡理論，認為大規模環境變化導致了進化中不同時期的顯著變化，但整個進化過程保持了一種平衡，這是進化的特征所在。的確，在進化過程中各個激烈變化的關鍵點上，跳躍基因就可能幫助物種來適應變化。

跳躍基因越來越像是大自然版的動態遺傳工程。深人了解其發 揮作用的機制將有利于我們對自身免疫系統對抗疾病的保護機制以 及自身遺傳機制如何應對環境等奧秘的揭示。由此，將可能把我們 帶人一個更高的水平：通過免疫來預防疾病；恢復受損的免疫系 統；甚至在基因水平上逆轉危險性突變。