從“垃圾DNA”中誕生的人類

　　在科幻電影中，人類能通過科學手段或者意外操作進化出超能力，例如隱形、變身、復活等。現實生活中，如果人類也想獲得類似的超能力，也許眼光要聚焦到垃圾DNA身上。

　　垃圾DNA從頭制造基因

　　生物是如何獲得基因的?如果問你這個問題，你應該很快就能回答出來：繼承或突變。具體來說，生物的基因大部分是從祖先身上一代代繼承而來，在繼承也就是基因復制的過程中，可能會出現復制差錯，這樣原本的基因就會突變成另一個基因，這就是所有基因的來源。不過這一想法可能需要更新了，科學家現在發現，許多對生物至關重要的基因另有來頭，它們既不是繼承來的老基因，也不是突變成的新基因，而是垃圾DNA從無到有“孕育”出來的。

　　所謂垃圾DNA指的是基因組中不編碼蛋白質序列的片段，它們的結構與功能DNA非常相似，同樣有標注復制起點的啟動子，同樣有一些等待被復制的堿基序列，可是科學家就是沒發現它們產生什么有功能的蛋白質，因此給它們起名為垃圾DNA。垃圾DNA的數量還不少，在人類的基因組中大約有90%以上的垃圾DNA，這么多的垃圾DNA究竟有什么用呢?隨著科技的發展和相關證據的出現，垃圾DNA的一項重要功能浮出了水面：孕育新基因。

垃圾DNA從頭制造基因

　　20世紀90年代，科學家在分析酵母基因組的過程中，發現了一個奇怪的現象：三分之一的酵母基因和來自其他生物體的已知基因沒有相似性。也就是說，這些酵母基因既不是繼承自生物的共同祖先，也不是從共有基因中變異來的，它們的來源是一個謎。2006年，美國加州大學戴維斯分校的進化遺傳學家大衛·貝恩發現了類似現象：他比較了標準實驗室果蠅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，但有幾個與睪丸和精囊腺發育相關的基因僅在一兩個物種中存在，意味著它們不是已有基因的后代。

　　這些基因從何而來?貝恩猜想，新基因可能是垃圾DNA突變產生的。有幾個證據支持他的猜想：從隨機的DNA序列中創造基因幾乎不可能實現，就像將一盒拼圖碎片隨意地倒在地上，它們不可能自動拼裝完成一樣。而垃圾DNA不一樣，它具有與功能DNA相似的結構，從中截取一段，就可能制造出可以編碼蛋白質的基因。事實上，那些所謂的新基因都十分短小，看上去確實像從一段長基因序列中截取出來的。

　　因為這些所謂的新基因并非來自祖先，貝恩將其稱為從頭起源基因。

　功能強大的新基因

　　為了區分從頭起源基因和來自祖先的基因，研究人員會比較近親物種的完整基因組，如果某個基因沒有出現在近親中或者在其他物種體內沒有相應功能，我們就認為它是從頭起源基因。越來越多的實驗結果表明，從頭起源基因確實存在。

　　德國馬普進化生物學研究所的一個研究團隊在小鼠體內找到了一個垃圾DNA孕育的新基因——Pldi基因。Pldi基因在小鼠、大鼠和人類體內都有存在，但在后兩個物種里，這段DNA保持沉默，也就是說不會被轉化為RNA或蛋白質。Pldi基因只在小鼠體內有活性，能夠被轉錄為RNA，并且有著重要的作用：雄性小鼠如果缺失這個基因，它們的精子將會游動得更遲緩，睪丸會更小。研究人員發現，垃圾DNA通過一系列的變異能轉化為具有活性的Pldi基因，具體的變異過程能在小鼠體內觀察到。

　　在深冬，北大西洋的水溫會降到零度以下。天氣冷得足以冷凍許多魚，但這對大西洋鱈魚基本沒什么影響：它們血液和組織中的一種蛋白質能與微小的冰晶結合，阻止冰晶變大，防止將它們完全凍結。大西洋鱈魚是從哪里獲得這種天賦的?這是進化生物學家海勒·巴爾斯路德想要解決的一個難題。她和她在奧斯陸大學的團隊搜索了大西洋鱈魚及其幾個近親的基因組，追蹤著抗凍基因的起源。意料之外的是，除了大西洋鱈魚外，其他鱈魚身上并沒能找到抗凍基因。巴爾斯路德猜測：抗凍基因并不是從祖先身上繼承來的，而是環境的變化加速了垃圾DNA孕育新基因的過程，大約1500萬年前北半球變冷時，大西洋鱈魚才進化出了抗凍基因。科學家在許多物種身上都找到了從頭起源基因：經過340萬年的進化，適應熱帶氣候的粳稻比其他水稻多出了175個基因;酵母中一個決定有性還是無性生殖的基因、果蠅和其他雙翅目昆蟲中一個關鍵的飛行基因都是從頭起源基因的代表;一項早期研究在靈長類族群中發現了15個新基因……

　推動人類進化的新基因

　　近年來，科學家在人類身上也發現了從頭起源基因，這些基因對人類進化有著重要意義。

　　北京大學分子醫學研究所的科學家通過比較人類、黑猩猩和恒河猴(與黑猩猩相比，恒河猴與人類親緣關系更加久遠)的基因組，找到了74個從頭起源基因。人類和黑猩猩共有29個新基因，這意味著這些基因是在人類和黑猩猩從它們與恒河猴共有的遠古祖先中分離出來之后才出現的。大約600萬年前人類和黑猩猩彼此分離后，剩下的45個從頭起源基因出現了，這些基因是人類獨有的。

　　研究發現，其中9個從頭起源基因對塑造人類大腦有重要作用。研究人員在培養皿中培養了一批迷你大腦，在對照組中，“腦細胞”的從頭起源基因被敲除掉了。結果顯示，在新基因存在的情況下，迷你大腦能長得更大。在另一個實驗中，新基因被轉入到實驗小鼠體內，轉基因小鼠的大腦發育水平比同伴更高，它們的大腦皮層還出現了與人類大腦類似的褶皺。大腦及其副產物——高智商的出現是人類之所以成為人類的重要標志，從這個意義上說，由垃圾DNA轉變而來的從頭起源基因功不可沒。

　　無獨有偶，來自歐洲的一群科學家將新發布的人類基因數據集與四種類人猿的基因進行了比較，發現了155個新基因。而且，有一個與人類心臟組織密切相關的新基因僅在人類和黑猩猩身上被發現，說明這個基因的“年齡”僅僅只有幾百萬歲。換句話說，某些讓人類與眾不同的基因出現的時間并不長，人類的進化速度比此前想象的還要快。

　　不過，新基因有好也有壞。在最新發現的155個新基因中，歐洲科學家發現了其中3個會導致人類患上某些特異性疾病;此前的研究中，科學家發現一個從頭起源基因在阿爾茨海默病患者的大腦中的表達水平更高;在小鼠實驗中，一個人類和黑猩猩獨有的從頭起源基因能讓小鼠的成神經細胞瘤發病率更高。

　　人類的進化離不開從頭起源基因的幫助——人類祖先從幾百萬年前就和現在的靈長類近親分化了，許多新基因的誕生在漫長的歲月中孕育了智人這種動物——未來，從頭起源基因還將不斷推動人類進化，至于人類會變得更好還是更壞，現在還說不好。