基因，也稱為遺傳因子，支持著生命的基本構(gòu)造和性能。直到今天，人類對自身功能基因的數(shù)量都是一個(gè)估值——2萬至2.5萬個(gè)，且大量基因的功能沒有被發(fā)現(xiàn)，尤其是在一些非功能基因區(qū)（過去稱為“垃圾基因”區(qū)）中，仍然存在著許多未知基因等待人類去發(fā)現(xiàn)和開掘。
希臘和愛爾蘭的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了155個(gè)來自獨(dú)特DNA區(qū)域的基因，這些新基因不是按“慣例”從已知基因復(fù)制事件中產(chǎn)生的，而是從零開始，這表明，現(xiàn)代人類仍在繼續(xù)進(jìn)化。今天，我們請知名科普作者張?zhí)锟眮碚f說基因解密為何困難重重，以及新基因的發(fā)現(xiàn)與人類繼續(xù)進(jìn)化的關(guān)系。
解密人類基因?yàn)楹坞y
人類從非洲南方古猿演化而來，這是目前國際科學(xué)界的主流認(rèn)知。南方古猿是人科動(dòng)物一個(gè)已滅絕的屬，被認(rèn)為是從猿到人轉(zhuǎn)變的第一階段。因此，人類的基因最早溯源應(yīng)當(dāng)是南方古猿。
不過，南方古猿也有很多分支，如阿法種、非洲種（纖細(xì)種）、粗壯種以及鮑氏種。研究人員對這4個(gè)種系如何演化、誰與誰有著祖先和子孫的關(guān)系、誰又直接演化為現(xiàn)代人，有不同的見解。比較一致的意見是，最早的阿法種經(jīng)過演化分為兩支，一支經(jīng)過非洲種發(fā)展成粗壯種，最后在大約距今150萬年前絕滅了；另一支則向著現(xiàn)代人類的方向演化，經(jīng)過能人、直立人，直到現(xiàn)代人。
人類基因的演化是隨著人的行為發(fā)展的，其中既有共性，也有很大的差異。由于遠(yuǎn)古時(shí)期，人們獲得的食物較少，需要在體內(nèi)積蓄更多的能量，因此演化出了節(jié)儉基因，這是所有人共有的基因。其中，中國人通過演化擁有了苦味基因，與傳說中的“神農(nóng)嘗百草”處于同一時(shí)代，而其他民族并沒有這樣的基因。這說明了基因既有共性也有個(gè)性，且與環(huán)境密切相關(guān)。
為了搞清楚人類基因的奧秘，1990年，人類基因組計(jì)劃正式啟動(dòng)，我國科學(xué)家與美國、英國、法國、德國、日本科學(xué)家共同參與其中。科學(xué)家認(rèn)為，人類基因組計(jì)劃可比肩阿波羅計(jì)劃，是人類科學(xué)史上的一個(gè)偉大工程，也被譽(yù)為生命科學(xué)的“登月計(jì)劃”。
2003年4月14日，人類基因組計(jì)劃的測序基本完成。當(dāng)時(shí)的計(jì)劃是，到2005年要把人體內(nèi)約2.5萬個(gè)基因的密碼全部解開，同時(shí)繪制出人類基因的圖譜。簡單來說，該計(jì)劃的目標(biāo)是要揭開組成人體約2.5萬個(gè)基因的30億個(gè)堿基對的秘密。然而直到現(xiàn)在，這個(gè)目標(biāo)也未能實(shí)現(xiàn)。
其實(shí)，研究人員在2003年時(shí)已經(jīng)繪制出大約92%的基因組圖譜，隨后用了近20年時(shí)間追蹤剩下的8%。這部分基因被稱為人類基因組中缺失的“暗物質(zhì)”，很可能為人類如何演化，或?qū)Ω鞣N疾病的易感性提供新線索。2022年4月，美國《科學(xué)》雜志同時(shí)發(fā)表了6篇文章，并以封面形式介紹了人類基因組計(jì)劃的最新成果——“一份更完整的人類基因組圖譜”，約100名科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)首次完成了對整個(gè)人類基因組的完整測序，補(bǔ)齊了遺漏的8%的DNA序列。
然而，對人類基因組的完整測序并不能確定所有的功能基因。比如，人類面對的很多疾病都不是簡單的遺傳疾病，而是基因、行為、暴露在環(huán)境中的組合。也就是說，并不是每個(gè)功能基因都會(huì)體現(xiàn)出來，它們蜷縮在基因組中，而且一些功能是多個(gè)基因共同作用的，比如決定人類身高的基因就至少有幾十個(gè)。有時(shí)，確定功能基因還需要通過敲除基因來進(jìn)行比較和確認(rèn)，這只能借助于動(dòng)物研究，因此人類基因組計(jì)劃的研究進(jìn)展比較緩慢，與當(dāng)初預(yù)估的情況不太一樣。
“垃圾基因”可能很有用
生物學(xué)有一個(gè)中心法則，遺傳信息一般由脫氧核糖核酸（DNA）轉(zhuǎn)錄到核糖核酸（RNA），再由后者翻譯產(chǎn)生人體所需要的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)會(huì)顯示出生物體的一切遺傳性狀。人類基因組計(jì)劃表明，人類基因組有3/4的基因能夠被轉(zhuǎn)錄,但只有約1.5%的基因具有編碼蛋白的能力，也就是有2萬至2.5萬個(gè)功能基因。
但是，根據(jù)“如無必要，勿增實(shí)體”的原則，人類基因組中大量的非蛋白編碼基因也應(yīng)當(dāng)包含著大量的遺傳信息，否則它們就沒有存在的必要。因此，科學(xué)家一直在深入研究這些非蛋白編碼基因，逐漸取得了一些進(jìn)展。
人們在很長一段時(shí)間都認(rèn)為，可以編碼蛋白的基因位于人類基因組中的“開放閱讀框（ORF）”?！伴_放閱讀框”是從初始密碼子到終止密碼子的連續(xù)堿基序列，也是DNA序列中具有編碼蛋白質(zhì)潛能的序列（密碼子是指信使核糖核酸上決定1個(gè)氨基酸的3個(gè)相鄰堿基的排列順序，代表某一種氨基酸的規(guī)律）。
但是，人類基因組中還存在大量的“小開放閱讀框（sORF）”，它們在序列長度上與“開放閱讀框”有明顯區(qū)別，其大小可以從最低2個(gè)密碼子到100個(gè)密碼子，即通常所說的“微基因”。
“小開放閱讀框”也是以前科學(xué)家口中的“垃圾基因”。這個(gè)概念是日本遺傳學(xué)家大野干于1972年提出的，用來指稱基因組中不編碼任何蛋白質(zhì)或酶的基因。但事實(shí)上，垃圾基因的概念并不準(zhǔn)確，因?yàn)檫@些基因中有不少具有協(xié)助編碼功能，還有一些基因具有編碼功能，例如“小開放閱讀框”的基因。
總之，“小開放閱讀框”的基因極小且不具有編碼功能，因?yàn)榇蟛糠只蛱幱诜堑鞍踪|(zhì)編碼區(qū)域——這種說法被后來的大量研究推翻了。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一些“小開放閱讀框”基因具有編碼并翻譯產(chǎn)生蛋白的能力，所產(chǎn)生的微小蛋白被稱為微肽，是長度小于100個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)，而且，這些微肽可通過與其他蛋白相互作用而發(fā)揮其生理或病理的作用，包括代謝、肌肉發(fā)育、胚胎發(fā)育、物質(zhì)降解、癌癥等。
新基因與演化的關(guān)系
在科學(xué)家眼中，人類的基因富礦有兩類，一種是原本存在于基因組中但以前沒被發(fā)現(xiàn)的，一種是從零開始的，也就是新演化出的基因。前者證明，人類的基因非常富有，后者證明人類還在演化。
希臘瓦里生物醫(yī)學(xué)科學(xué)研究中心和愛爾蘭都柏林大學(xué)的研究人員幾個(gè)月前在《細(xì)胞報(bào)告》雜志上發(fā)表論文稱，他們發(fā)現(xiàn)的155個(gè)新基因來自DNA非編碼區(qū)，即是從“小開放閱讀框”發(fā)現(xiàn)的，這些微基因可以編碼產(chǎn)生微蛋白（微肽），從而參與生命過程、生理功能和疾病發(fā)生等。其中一些基因可以追溯到哺乳動(dòng)物的遠(yuǎn)古起源，還有一些基因被預(yù)測與人類特有的疾病有關(guān)。
特別值得一提的是，研究人員在“小開放閱讀框”發(fā)現(xiàn)了人類獨(dú)有的與心臟功能有關(guān)的新基因——一種增強(qiáng)子RNA（lncRNA）基因，它在小鼠、狗、大鼠或雞的任何組織中均未檢測到直系同源轉(zhuǎn)錄。而且，這種基因是在現(xiàn)代人類與黑猩猩譜系分離后出現(xiàn)的。如果在進(jìn)一步的研究中證明，這種微基因是在最近幾百萬年內(nèi)出現(xiàn)的，那么這將成為人類基因不斷演化并適應(yīng)人體的重要證據(jù)。
研究人員介紹，該基因與心臟組織密切相關(guān)，相關(guān)性最強(qiáng)的靶器官是心室腔，其次是心臟瓣膜、心房、黑色素細(xì)胞、房室瓣和色素細(xì)胞。在黑猩猩體內(nèi)，只發(fā)現(xiàn)心臟組織中該基因的轉(zhuǎn)錄位點(diǎn)具有活性；在有數(shù)據(jù)可查的大猩猩、猩猩或獼猴中，沒有發(fā)現(xiàn)該基因的心臟表達(dá)。種種跡象表明，該基因獨(dú)屬于人類。
這種與人類心臟發(fā)育相關(guān)的增強(qiáng)子RNA（lncRNA）基因的明顯作用可能涉及先天性心臟病，比較典型的是法洛四聯(lián)癥，主要表現(xiàn)為4種先天性心臟缺陷：心室之間的間隔壁上有一個(gè)孔洞、右心室和肺動(dòng)脈之間的通道變窄、主動(dòng)脈與心臟的連接移位、右心室肌增厚。當(dāng)然，如果演化向好的方面發(fā)展，那么人類以后可能通過良好的心臟成形和發(fā)育來減少先天性心臟病的種類和數(shù)量。
此外，在這155個(gè)新基因中，研究人員通過試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)有44個(gè)基因與生長缺陷有關(guān)，證明它們在維持人體健康的生命系統(tǒng)中具有重要性。同時(shí)，有3個(gè)新基因被發(fā)現(xiàn)與人類某些特異性疾病相關(guān)，如肌肉營養(yǎng)不良、視網(wǎng)膜色素變性和阿拉善綜合征（也稱為先天性肝內(nèi)膽管發(fā)育不良和肝動(dòng)脈發(fā)育不良綜合征）。
其實(shí)，包括人在內(nèi)的大多數(shù)高級(jí)動(dòng)物都是由兩性生殖細(xì)胞結(jié)合形成胚胎，并由胚胎發(fā)育為成體的。在此過程中，某一基因的變化、在胚胎不同時(shí)間的表達(dá)都有可能影響物種的發(fā)育。對個(gè)體而言，可能涉及某一胚胎是否發(fā)育正?；蛴谢?，而對群體來說，無數(shù)個(gè)體出現(xiàn)基因突變，哪怕是同一基因產(chǎn)生變化，都可能影響物種的進(jìn)化方向?，F(xiàn)在，研究人員從一些動(dòng)物的“小開放閱讀框”中同樣發(fā)現(xiàn)了影響演化方向的基因，這說明其他物種也像人類一樣在繼續(xù)演化。
人類基因選擇受環(huán)境影響
基因從來都不是一成不變的，有新增也有減少。隨著環(huán)境變化和時(shí)間推移，人類的基因演化會(huì)出現(xiàn)適應(yīng)環(huán)境和此消彼長的情況。
一個(gè)突出的例子是乳糖不耐受。為什么有些人喝牛奶會(huì)發(fā)生腹痛、腹脹、腹瀉及嘔吐？這就是乳糖不耐受的表現(xiàn)，原因是小腸中的乳糖酶不足，無法將乳糖分解成葡萄糖和半乳糖。乳糖不耐受有4種類型：原發(fā)性、繼發(fā)性、發(fā)育性和先天性。其中，原發(fā)性乳糖不耐癥是指乳糖酶的量隨著人年齡增長而下降；先天性乳糖不耐癥是一種遺傳性疾病，患者乳糖酶很少或根本沒有乳糖酶。這兩種情形都源于缺乏一種產(chǎn)生乳糖酶持久性的等位基因——人類第2號(hào)染色體上負(fù)責(zé)乳糖酶合成的LCT基因。該基因是人類在約1萬年前演化出來的，主要是世界各地的游牧民族食用奶和奶制品而適應(yīng)環(huán)境產(chǎn)生的。
各個(gè)地區(qū)人們?nèi)狈CT基因的比例不同。研究人員在上世紀(jì)80年代就發(fā)現(xiàn)，乳糖不耐癥患者的比例因地區(qū)而異，當(dāng)時(shí)大約5%的斯堪的納維亞人患有乳糖不耐癥，而在亞洲有的地區(qū)這一比例高達(dá)80%，只是乳糖不耐受的癥狀輕重不一。比如，中國有很多人都是因?yàn)槿鄙龠@個(gè)基因而出現(xiàn)乳糖不耐受。其實(shí)，大多數(shù)亞洲人的祖先都生活在不利于奶牛養(yǎng)殖的條件下，因此他們成年后不需要乳糖酶來消化乳糖，結(jié)果就沒有演化出乳糖酶耐受基因。不過，人的演化提供了一種解決方案，不同種族人的通婚可以解決這個(gè)問題。比如，智利科金博地區(qū)的牧民與新來的歐洲人通婚，后代獲得了乳糖酶耐受能力，且這種特性現(xiàn)正在族群間傳播。
人類的基因也可隨著環(huán)境的變化而減少。早在2009年就有研究人員指出，男性獨(dú)有的Y染色體十分脆弱，無法自行修復(fù)基因變異造成的損傷，情況不太樂觀。原因是在300萬年之前，男性的Y染色體大約有1400個(gè)基因，可如今只剩下45個(gè)基因。如果按照這種速度丟失基因的話，Y染色體大約會(huì)在500萬年后失去全部基因。
當(dāng)然，男性基因的丟失除了DNA修復(fù)能力弱外，也有環(huán)境和生活方式的原因，如化學(xué)污染、氣候變暖、生活方式不健康（如抽煙、喝酒）等。也有研究人員認(rèn)為，預(yù)言男性Y染色體基因全部消失是危言聳聽。但無論如何，如果男性遵循較為健康的生活方式，以及人類生存的環(huán)境能夠持續(xù)得到改善，Y染色體基因的丟失會(huì)樂觀許多。
總之，雖然目前在非編碼區(qū)域內(nèi)自發(fā)產(chǎn)生新基因的確切機(jī)制尚不清楚，但隨著研究的不斷深入，未來我們將有可能找到人類基因組中更多的隱藏功能。研究人員指出，無論是原本存在于基因組中但以前沒有發(fā)現(xiàn)的功能基因，還是人體從零開始新演化出的基因，都證明人類還在通過與環(huán)境的交流和適應(yīng)來改變和維持基因，并持續(xù)演化，以適應(yīng)環(huán)境并獲得更好的未來。
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