假基因

在人类以及其他多种生物的基因组中，都潜藏着大量的假基因。假基因是那种貌似正常、却没有功能的“死亡基因”。但是近年来，不断有科学家发现，假基因竟然有活动的迹象！难道假基因并没有死亡，它们有自己的功能，只是人类尚未发现？假若它们真的没有功能，那为什么我们人类在经过长时间的进化后，仍保留数量如此之多的假基因呢？太多的谜团环绕着假基因，科学家能一一破解吗？你知道吗？在我们的基因组中潜藏着不少“骸骨”，这些沉寂已久的基因“骸骨”胡乱地散布在我们的染色体中。它们是古老的基因化石，向人类展示着现代基因的进化历程。科学家把它们叫做假基因（pseudogene）。曾经很多人都认为它们完成了历史使命，已经光荣隐退。但近年来，科学家发现的种种迹象表明，在这些如恐龙般古老的DNA之中，有些也许并非是真的沉寂，而有着活动的迹象！虽然人类基因组计划已经正式完成，但假基因身上的重重谜团才刚刚揭开一角。基因组不是一个静止的信息库，而是一个活跃的生物计算机操作系统。假基因是一些古老密码的残留，不过与古老密码相关的功能早已被时间无情吞噬。但是我们不能忽视假基因，它们不仅记录了密码的生成与变化，而且作为基因组重建与更新过程的产物，它们还可以帮助科学家深入了解这些过程的发生、发展，甚至它们本身就是解开假基因谜团的金钥匙。假基因身世之谜“假”基因（falsegene）貌似正常基因（realgene），但它们没有“真本事”，无法合成出功能蛋白质。上个世纪70年代末，基因学家开始在染色体的特定位点上，寻找能合成出重要功能蛋白质的基因，结果却意外地发现了“假”基因，于是正式把它命名为假基因。例如，血红蛋白（hemoglobin）具有运输血液中氧气的作用，而β-球蛋白（betaglobin）是它的重要组成部分。在寻找β-球蛋白基因的过程中，科学家们发现了一段DNA序列，它与β-球蛋白的基因非常相似，却不能合成蛋白质。原来在这个基因的结构中，具有重要功能的部分发生了突变，使它不能被翻译成有用的蛋白质。自从人类基因组计划完成以来，科学家又接连完成了多种生物的基因组测序。大量的基因数据让基因学家们对基因组有了全面的认识。他们发现，假基因不是偶然存在的，而是普遍存于生物的基因组中。人类的基因组就像一个巨大的仓库，容纳了30多亿个碱基对，然而只有不到2%的基因组DNA可以直接编码蛋白质。在基因中，非编码序列（noncodingsequence，即内含子）大概占了基因全长的三分之一。基因之间的连接序列更是占了DNA的绝大部分，而这部分序列大多是基因组中的暗物质（genomicdarkmatter），它们到底发挥着怎样的功能至今还是一个未解之谜。就是在这些看似无用的广袤空间中，随意地散布着数量惊人的假基因，如同抛弃在荒野中的锈迹斑斑的汽车零件。随着对人类基因组的研究日益深入，我们的研究小组以及欧洲、日本的研究团队发现的假基因数量已经突破了1.9万个！而且假基因发现之旅似乎还远未走到尽头。科学家估计，人类的基因组中，大约只有2.1万个编码蛋白质的基因，所以在某一天，假基因的数量很有可能会赶超我们的功能基因。一个个假基因散发着浓厚的神秘气息：它们是如何形成的？为什么它们的数量如此之多？如果它们真的无用，那它们为什么会在我们的基因组中存在如此长的时间……对于假基因的形成，科学界已经有了明确的答案。少数假基因也曾经是重要的功能基因，只是由于核苷酸序列发生了改变，导致它们丧失了原有的功能。不过，大部分假基因都是功能基因的无效复制品：或者由于在复制的过程中，发生了致命突变，它们一产生就失去了功能；或者由于有害突变的长期积累，它们的功能慢慢消失殆尽。功能基因要发挥功能、履行自己的职责，就必须拥有一个完整的基因结构。外显子（exon）是一段连续的核苷酸序列，负责编码相应蛋白质的氨基酸序列。在两个外显子之间，又隔着一个内含子。每个基因的起始部分含有一段异常重要的序列，叫做启动子（promoter），它就像基因的标志，没有它，细胞机器就无法识别基因。当细胞要表达某一基因时，启动子先得将很多重要的生物分子召集到自己的身边，组成一个团队，因为基因的表达是多个分子相互协作的过程。随后，这些分子就会朝着基因的下游移动，将基因转录成前体RNA（preliminaryRNA）。前体RNA通过拼接加工，切除内含子、连接外显子，从而产生了经过剪切的信使RNA（mRNA）。最后，核糖体（ribosome）负责把mRNA翻译成氨基酸链。经过一系列复杂的蛋白质加工处理过程，氨基酸链形成了具有特定功能的蛋白质，它们共同执行基因的功能。假基因可以通过两种途径产生，每种途径都能产生不同于原始基因的翻版。细胞在分裂之前，会复制整个基因组。在这个过程中，往往会产生多余的基因拷贝，它们可能会在染色体上的其他位置安家落户。另外，在基因表达的过程中，mRNA可能会逆转录成DNA序列，然后重新插入基因组中。这是一种逆转录转座（retrotransposition）现象，并且还可以由一种转座遗传因子（transposablegeneticfactor）——长散在元件（longinterspersednuclearelement，LINE）引起。LINE具有制造自身DNA拷贝并将它插入基因组的能力，而且当LINE活动时，其邻近的mRNA转录产物也能随之一起被逆转座。在进化过程中，复制和逆转座是改变基因组、产生生物新变体的主要力量。通过复制产生的基因拷贝与原来的基因一样，具有正常的功能，它们插入基因组后，基因组就能获得更多的进化机会。但是，假如基因拷贝中含有错误序列，或者缺失了重要DNA片段（如启动子），那么它就会变成假基因。通过基因复制产生的假基因仍然含有内含子和外显子，它是可识别的，因而科学家把它称作复制型假基因。但是由mRNA逆转录得到的假基因不含内含子，所以由此产生的假基因被称为加工型假基因（processedpseudogene）。在人类基因组中，虽然这两种假基因似乎是随机分布的，但是各种功能基因产生假基因的能力却有高有低。基因学家根据功能基因在序列和效用上的相似性，将它们划分为不同的基因家族。在这些家族中，大约只有1/4与假基因有关，不过有些基因家族却非常“善于”制造基因拷贝。例如，编码人类核糖体蛋白的基因家族由80个基因组成，而由此衍生的加工型假基因就高达2,000多个，大约占了整个基因组中已发现的假基因的1/10。还有一个核糖体蛋白基因，叫作RPL21，由这一个基因衍生的假基因超过了140个。造成这种差异的原因可能是不同基因的功能有所不同。某些基因的产物对于细胞的整个生命过程都是必需的（如核糖体蛋白家族的基因），它们会在细胞中持续、大量地表达，因而有更多的机会衍生出加工型假基因。长期以来，假基因就是以这样的方式，不断地在我们的基因组中出现。在漫长的进化过程中，有些基因早已消失，但是它们的仿制品——假基因却保留了下来，尽管已经失去了原有的功能。还有一些基因，经历了几多变迁之后，早已面目全非，但是我们仍然可以在假基因身上看到它们早年的英姿。因此，基因区间（intergenicregion）是一个巨大的分子化石层，无声地记录着我们的进化历程。