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有害突變對于生物進化的影響到底如何？基因組里的神秘暗物質--“轉座子”，又隱藏著什么樣的力量？發(fā)現(xiàn)這個進化的隱藏力量，可以揭秘生物入侵背后的遺傳悖論，推動生物通過適應性進化應對全球氣候變化和生物多樣性的挑戰(zhàn)。 郭亞龍 中國科學院植物研究所 研究員  我叫郭亞龍，來自中科院植物所。我們進化生物學家其實關注的是生物多樣性。你看我現(xiàn)在這展示的圖里面有形式各樣的生境，然后各種生境里有各種各樣的植物。這就是我們的研究對象，也是我們人類賴以生存的物質基礎。  有一些研究認為全球氣候的變化對物種確實產生了很大的困擾。全球氣溫每升高兩度，就會導致5%的物種面臨滅絕的危險。所以，顯然全球氣候變化對生物的生存和繁衍會是有很大的影響。我們光說現(xiàn)在問題很嚴重，那是不夠的。我們現(xiàn)在需要的是找到應對的辦法。其實，核心的思想就是利用進化生物學的思路，揭示生物適應性進化的機制實現(xiàn)有效應對。  我們?yōu)榱搜芯可锏倪m應或者進化，一個核心的抓手就是基因組學?；蚪M學現(xiàn)在我們每個人都知道。但是，現(xiàn)在基因組學最關鍵的問題是什么？核心的問題就是解讀基因組。我在2011年的時候當時做完博士后也發(fā)了一篇基因組學的文章當時我們花了很多的錢，全世界的一批頂級科學家一起聯(lián)合攻關，完成這個事情。所以后來在這做這個過程的過程中，我就在想我未來做什么？我后來有一次發(fā)現(xiàn)著名的綜述雜志中有一句話說，“經過20年的奮斗，我們發(fā)現(xiàn)，我們現(xiàn)在最大的困擾不是產生基因組，是解讀基因組?！?/p>  講到基因組了，我們接下來看看基因組里有什么?；蚪M里面其實很大程度上都是轉座子。轉座子是基因組中的重復序列。我左邊這個圖里面就展示的內圈的圓圈的大小代表基因組的大小。外圈代表的就是每一個基因組里面顏色鮮艷的顏色，指代的是基因組中轉座子的比例。你可以很明確的發(fā)現(xiàn)，盡管不同物種中物種的基因組大小有反差，但是很多基因組里面轉座子占了它的主要的組成部分。而且在《科學》雜志公布的125個未解決的科學問題中，有一個核心的問題就是轉座子。  為什么叫轉座子？其實是指這種序列它可以自我復制，然后跳躍插入到另外一個染色體的區(qū)域。比如說我這兩個胳膊是一個基因組的話，這是基因組的不同區(qū)域，我這邊一個轉座子可以復制自己插入到右手邊這么個區(qū)域。所以轉座就是轉移座位的意思，就這個意思。這種所謂的垃圾DNA到底有什么功能？它有什么作用。說起轉座子就要說一段歷史，就是一個傳奇的女性科學家芭芭拉·麥克林托克。她是康奈爾大學的一個教授，她發(fā)現(xiàn)轉座子的過程也就像她的人生一樣是一個傳奇。  她當時在40多歲的時候已經成為美國遺傳學會的主席。到1950年左右，那個時候她就發(fā)現(xiàn)了轉座子。但是發(fā)現(xiàn)這個事情之后，有很多人不認同這個事情，覺得基因中它是一個穩(wěn)定遺傳的過程，怎么會有一些東西跳來跳去的呢？這個東西不符合當時的對科學的認知，所以很多人就覺得她有點離經叛道。隨后的研究過程中，后來有一些別的科學家發(fā)現(xiàn)在其他的物種中有轉座子存在，而且也確實驗證了她的發(fā)現(xiàn)。1983年她就獲得了諾貝爾獎。  剛才我講了轉座子就是基因組中能夠跳躍的重復序列。上面這個圖就展示了轉座子怎么能從一個區(qū)域跳到另外一個區(qū)域產生一個新的拷貝。對它的認識了也是一個傳奇。 我們很多時候說仰望星空，黑洞里面存在的是什么？其實我們做轉座子的研究的時候也往往是這樣。你可以想象這些星星是基因組中的基因，而那些黑暗的地方就是各種轉座子——一些重復序列。所以你很多時候，我們做這方面的研究的時候，也和天文學家一樣或者做物理的一樣，我們很想知道隱藏的背后的那些黑暗的潛藏的那些除基因之外的基因組序列到底有什么作用？從某種意義上毫不所以它有什么用？  關于轉座子與宿主到底是怎么樣相互共存呢？有人就提出了幾個理論。有一種理論就說相互是沖突的，有你沒我，有我沒你。就是一種絕對的敵對關系。另外一種理論就講說轉座子和這個宿主是一種相互的動態(tài)平衡。就是說你打我一拳我打你一拳，反正大家誰也消滅不了誰，大家就湊合著共同存在吧！第三種理論就是說轉座子能夠為宿主所用，宿主慢慢地把轉座子變成自己可用的遺傳成分。但事實上來說這三種理論都有它的科學價值。  它到底影響什么表型？我這里提供了一系列的例子，最左邊的就是孟德爾發(fā)現(xiàn)的豌豆皺縮的案例。豌豆皮的是起皺的還是光滑的，這是個重要的性狀。當時孟德爾基于這個性狀研究遺傳學定律。豌豆皺縮與否其實是轉座子插入導致的。再接下來是玉米。但事實上野生的玉米是個多分支的，它是一個叢生的，一個多分支的東西，所以這次也是轉座子馴化，轉座子插入導致的表型變異。再右邊就是樺尺蛾的故事，蛾子從灰白變成黑色，也是轉座子插入導致的。如果大家想再跟自己關系更近一點的話，那就是下面的這個例子。我們人類衰老過程中的一些重要的退行性漸變的疾病，甚至我們的腫瘤，這些癌癥，這些病變很多也是與轉座子是有關的。  就是說轉座子是生物進化的重要動力。比如說轉座子你可以用它來改良作物。我用這個例子再講一下樺尺蛾的故事。這個蛾子在工業(yè)革命的時候，蛾子變成黑色以后，捕食者不容易發(fā)現(xiàn)它。這樣黑色的蛾子就大量地擴繁，在群體中到處都是黑色的蛾子，而白色的蛾子數(shù)量就逐漸減少，蛾子變成黑色的，也是轉座子插入導致的一個事情。  我就利用我們自己的三個研究來講一下我們在轉座子這方面做了哪些探討和工作。進化生物學里面有一個很重要的理論，就是自然選擇理論。就是說我們可以通過一系列的計算來篩選基因組中哪些染色體區(qū)域，哪些基因，哪些序列是受到自然選擇的。 我們就利用擬南芥——這個著名的一個小草的模式植物來研究基因組中，植物基因組中哪些區(qū)域是受到正選擇的。然后我們就先來鑒定每一個樣本中的轉座子，然后進一步的我們從計算的角度發(fā)現(xiàn)了，基因組里大概所有的轉座子算在一塊，有2.3%的轉座子是受到自然選擇的。受到自然選擇說明它對生物的適應和生存是非常重要的。所以從這個意義上說明，至少基因組中有2.3%的轉座子是有巨大作用的，與生物適應當?shù)氐沫h(huán)境是密切相關的。我們還想有沒有什么這種具體的案例能夠說明轉座子能夠促進生物的適應和進化。我們就做了這樣一個事情。 講之前我還要介紹一個背景，就是我們有一個生物入侵的遺傳悖論這一個概念。生物入侵的遺傳悖論是指入侵物種入侵到一個新的環(huán)境的時候，由于它進來的時候，進入一個新生境的時候，它的個體數(shù)很少。這個群體的遺傳多樣性很低，但是往往入侵物種進入一個新生境以后，它的適應能力很強，所以這就是一個很大的反差。就是很低的遺傳多樣性和很強的適應能力之間的反差了，就被人家叫為生物入侵的遺傳悖論。 一般說到悖論，它肯定是一個很重大的科學問題。我當時看到這個現(xiàn)象以后，我說我們能不能從轉座子的角度去解釋。這里剛好2015年左右，人家有人發(fā)表了一篇綜述，就講是不是生物進入新生境新環(huán)境以后，它這個環(huán)境條件變了，它的轉座子的活躍程度擴增能力就會變了。 我們當時就想這是個好的切入點，我們就利用我們自己熟悉的體系，就是薺菜的體系。薺菜這個體系我相信大家都了解。大家在花園邊春天到處看見心形的果莢，我覺得最不需要分類學知識都能認識出來哪個是薺菜，而且薺菜大家都吃。我們這個地方，我們用薺菜的兩個物種做這個研究。我們發(fā)現(xiàn)有一個薺菜，它的遺傳多樣性很低，它分布的范圍很寬。所以這就說明它有很強的適應能力，但是遺傳多樣性很低，所以它似乎符合一個入侵物種的樣子。 我們就想我們看看這個物種是不是它的轉座子含量很高？我們發(fā)現(xiàn)了左邊這個物種，它遺傳多樣性很低，但是適應能力很強。它果真具有很廣泛的分布，轉座子很多。我們進一步的通過一些分子遺傳學、基因組學的算法和實驗驗證，最后我們就提出了轉座子的擴增確實能夠解釋生物入侵的遺傳悖論之謎。其實基本的邏輯就是說，你盡管物種遺傳多樣性很低，但是轉座子的它是一個可以短時期內產生大量遺傳變異的機制，這樣的話入侵的物種里面可以在很短的時間內產生新的大量的變異。 這種大量的變異因為它在基因組中各種區(qū)域都有分布，這樣的話這個東西可以影響各種表型?？赡苣骋恍┺D座子影響的某一些表型，對適應當?shù)丨h(huán)境就有很大的幫助。就是這樣一個邏輯。其實也就是說，我們提出這樣一個提法，就是說轉座子是植物快速適應性進化的重要動力。 我講完第二個例子，就說了一下轉座子確實能促進生物進化。第三個既然轉座子這么重要，我們就很想知道轉座子是受什么調控的。因為這就是哲學上講，我調控了誰，誰調控了我，對吧？現(xiàn)在我講的轉座子能調控基因，影響表型、影響生物適應。我們再往后推一點，其實做進化有時候像做哲學一樣，我們就往后推一點，我影響到別人，誰影響到我，對吧？所以這樣的話，我們就想知道，自然群體野生群體的材料中，不同的個體之間轉座子的總量不一樣，是受什么遺傳機制在調控？所以這樣的話，我們還是利用我們自己熟悉的材料體系，就是這個模式植物擬南芥。而且大家看到左下角這個圖上，我在趟河再去采樣，我們在新疆采樣。右下角的圖片就是我們野外拍的擬南芥模式植物的照片。其實一個很小的小草，其實在我們南方省份都有分布。 所以我們利用擬南芥模式植物全球分布的這一千多個樣，我們來做基因組序列關聯(lián)分析。所以我們首先想了解從基因組水平來看，轉座子到底對于生物是有害的還是有利的？我們基于一系列的統(tǒng)計算法，我們最后給人家一個結論，轉座子從全局上來說它是有害的，但這不是絕對。就是說有一些轉座子還是有利的，但是從全局上來看，轉座子對生物的適應或者進化還是有害的。我們得出這樣一個結論，因為以前關于這個問題有很多的推測，但是我們在這兒通過統(tǒng)計算法，甚至有時候你可以想象我們這個結論并不是那么可靠，但是它畢竟是一個準確推理的一個很重要的結果。也許將來說你這個不一定正確，可能在別的物種中還有別的另外的模式那也有可能。但作為科學來說，只要你每一步是對的，那就是進步，因為科學就是一點一點的積累的進步。不是說某一個科學一個大的飛躍，其實都是一點量的積累。 我們進一步的，我們就想知道，說這就回到我那個問題。就是說既然轉座子現(xiàn)在是有害的，我們就想知道自然群體中轉座子是受什么機制在控制？我們就通過計算生物學，數(shù)量遺傳學里面全基因組關聯(lián)分析的方法，我們就找到了一批能影響轉座子不同個體之間轉座子拷貝數(shù)變異的位點，這些位點有包括一些活性轉座子。有很多的轉座子是沒有轉座活力的，盡管它在那兒在，但是它沒有進一步的擴增的能力。然后我們也發(fā)現(xiàn)基因組中有一些基因能調控轉座子的擴增，所以這里有兩個核心的意思，一個是有一些活躍的轉座子自己跳躍來產生更多的拷貝，來影響轉座子的拷貝數(shù)目。還有一個因素就是基因組中有一些基因能影響轉座子的活性，從而調控轉座子的總量。所以為我們下一步拓展這個方面的研究奠定了基礎。 我剛才講了轉座子也算有害突變，其實所有的遺傳變異，它分為三類。一種是中性突變，就是什么？它對生物適應無所謂好壞，沒有太大的好，也沒有太大的壞，它只是發(fā)生了。另外一種就是有利突變，它對生物的適應有幫助。第三種就是有害突變。就是它如果發(fā)生這種變異，生物的適應力會降低。有害突變的定義剛才我已經講了，它是指對生物自身的繁衍有損害，但是從人類的角度來講，比如說某些有害突變可能是有利的。比如說，這個落?；虻耐蛔?。正常的野生物種，它的種子成熟以后，它就要落粒。它要擴繁，種子擴繁后代，要不然它的種群就會滅絕了。但是從人類的角度來說，落粒突變是有利的。因為它不落粒了以后，我們人類才能收集種子來作為糧食。而且已有的研究大多的都關注有利突變的研究，所以缺乏對有害突變的深入的探討。 有害突變能夠顯著影響物種的適應能力，特別是對我們人類來說有害突變能影響人類的壽命。比如說我左邊這個圖你可以看得很清楚。最上面那個是老鼠，老鼠由于有害突變積累得很快，所以它壽命很短。我們在這個圖上的幾個物種，人類是壽命最長的，核心的原因就是我們人類積累有害突變的速度慢。所以從這個意義上來說，有害突變的研究可能對于人類壽命，包括我右手邊那個圖，講的就是有害突變的研究對于物種保護也很重要。比如說你有一個物種很重要，它有好幾個群體，你說我保護哪個？通過有害突變的研究，我發(fā)現(xiàn)有一個群體有害突變很多，我就保護另外一個有害突變少的，對吧？這樣的話我就可以保證我有效的去保護我的關注的類群，而且有害突變與很多重要的生物學過程是密切相關，自交的衰退，腫瘤的發(fā)生等等。其實人類的一些腫瘤的發(fā)生都是有害突變逐漸累積的過程，隨著人類壽命的延長，有害突變越積累越多到一定年齡，這個就是一個問題。 我們用有害突變怎么研究這個生物適應的？金露梅在我們藏族同胞里面是格?；ǖ囊粋€主要類型。然后這是我們的神山。西藏神山腳下，你看這個金露梅很漂亮。我們當時看到這個現(xiàn)象以后就很想知道，金露梅這么漂亮的花，怎么在4000多米的海拔能夠生存的，周圍那么貧瘠，這么漂亮的花。所以我們就去做這個研究。 我們做這個研究的時候我們做了很多嘗試，我們從進化生物學的一般的模式，包括從通過正選擇分析找有利突變，什么有利突變促進它適應，后來做所有的嘗試發(fā)現(xiàn)沒有效果，最后我說我們反過來做，有害突變怎么變的？后來發(fā)現(xiàn)很清楚，大家看到隨著這個海拔升高了，有害突變在逐漸減少，最后我們得出了一個結論就是，有害突變有效清除了促進金露梅這個植物適應了高海拔高山環(huán)境。 有害突變而且更重要的是對植物未來生存潛力的預測方面。我們目前的計算方法很多，沒有把有害突變考慮進去。所以我們下一步，包括我自己近期的研究我們把有害突變帶入進來，去預測物種適應未來的潛力到底是怎么樣子的。 我們的核心目標就是解讀基因組里的暗物質，是理解進化生物進化奧秘的關鍵。這個暗物質是指轉座子，有時候也把它叫跳躍基因。我用科學家芭芭拉·麥克林托克的一句話來結束我今天的報告?！叭绻阏J為你在正確的軌道上，如果你自己有這種內在的知識，你知道你在正確的軌道上，那無論別人說什么，他都不能阻止你該干你該干的事情?！?/p> 因為我覺得這個對科學或者是對我們做很多事情是非常有幫助的。因為其實科學需要多元化，我們很多研究都是在持續(xù)的堅持中取得了新的突破。最后謝謝大家！ 往/期/回/顧 |
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