最小基因组与生命起源

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后基因组时代的思考

最小基因组与生命起源

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生命最本质的特征是。每一个生物体都拥有一份最初的祖先

根据当代生物进化论研究者的观点，地球上的所生命进化的基石建立在遗传物质的变异和遗传上，ｕｎｉｖｅｒｓａｌｃｏｍｍｏｎａｎｃｅｓｔｏｒ．ＬＵＣＡ）。

在寻找ＬＵＣＡ的过程中，研究古细菌的基因组非

《科学》（双月刊）

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白质合成的装置最为发达，但尚未完全；ＲＮＡ合成的基因平行转移

尽管１９９０年代人们在寻找“第一个基本的共同祖基因平行转移（ｈｏｒｉｚｏｎｔａＪ

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ｔｒａｎｓｆｅｒ，ＨＧＴ），是

控制其结构和功能的“设计图”，这份“设计图”还可以一代代地遗传下去。在孟德尔和摩尔根时代。这份“设计图”被称为“遗传因子”或者“基因”．而在后基因组时代则被称为“基因组”。如果说达尔文的进化论关心的是物种起源，那么今天的进化论研究者则是把视野聚集在基因组的起源。此外，寻找最早基因组的工作又引出了另外一个非常重要的问题：维持一个能够独立生存的生物个体的基因组应该有多大。换句话说，能否得到一个满足生命活动最低需求的最小基因组。

常重要，因为古细菌的生长环境更接近原始地球的状态。在１９９６年，科学家们解析了从深海发现的古细菌物种詹氏甲烷球菌（Ａ如琥吼ｏｃＤｃｃⅥｉ帆ｎ∞ｃ＾五）的基因组全序列。这是第一个被分析的古细菌类生物的基因组。其主要的环状染色体共有１５０万对碱基，含大约１７００个基因【”。通过比较基因组研究．研究者推断出“第一个基本的共同祖先”可能具备这样一些特征：蛋功能要比蛋白质合成差一些；而ＤＮＡ合成的机制则基本没有。此外，它具有较为发达的代谢途径。包括氨基酸和核苷酸代谢，以及辅酶的合成等。

有生命都可以归结到三个生物类群的某一类中。这三个类群分别是真核生物类（ｅｕｋ８ｒｙｏｔｅｓ）、真细菌类（ｅｕ—ｂａｃｔｅｒｉａｌ）和古细菌类（ａｒｃｈａｅａ）。我们所熟知的动植物属于真核生物类。而大肠杆菌等原核生物大多属于真细菌类。古细菌则是一类不同于真细菌类的古核生物，它们通常生长在一些极端条件下．如生长在１００℃以上环境中的嗜热细菌，或高盐浓度下的嗜盐细菌。通过分子层面的深入分析，人们发现，与真细菌相比，古细菌的～系列分子生物学特征与真核生物接近．表明真核生物的祖先可能源于古细菌类。也就是说，从系统发育关系来看。古核生物介于原核生物和真核生物之间。因此可以进一步推论，原核生物和古核生物有可能是从一种更为原始的细胞演化而来。这种原始细胞也许就是生命最初的祖先。

因此研究基因组自然成了人们理解进化的一把钥匙。迄今为止，已有上百个物种的基因组进行了全序列分析，比较不同物种的基因组有助于揭示物种间的亲缘关系和演变进程。人们期望通过对基因组的研究，找到所有生命的共同祖先。这种祖先被命名为“第一个基本的共同祖先”（１ａｓｔ先”方面取得了一些进展。但是还有许多基本的问题尚未回答。有些问题实际上对这种原初祖先的存在从根本上进行了挑战。其中最大的一个问题是，对三种类群生物的基因组进行比较的结果发现，只有大约６０个左右的基因是普遍存在的．可以认为是属于“第一个基本的共同祖先”。显然，这些基因远不足以维持一个哪怕是像“第一个基本的共同祖先”一样最简单的有机体的生存。此外，对ｒＲＮＡ基因和氨酰一ｔＲＮＡ合成酶的种系发生的分析表明，这些基因和蛋白质并不存在一个稳定的系统发育关系；所谓最原始的特征，完全取决于研究者所研究的基因是什么。换句话说，种系分析揭示的仅仅是什么基因是原始的，而与这些基因“落户”的物种没有关系。由此科学家们意识到。基因可能在不同的物种间进行转移。

比较基因组全序列得到的一个令人震惊的结果。例如，

在人类基因组中，有２００多个基因是从细菌基因组中转移而来的，而在其他真核生物物种的基因组中没有发现这些基因。基因平行转移显然与经典的达尔文进化论相冲突，因为经典的进化论认为，在生命的进化树系统中，遗传物质只能是一代代垂直地进行传递。根据

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基因平行转移的特点，美国科学家伍斯（Ｃ．Ｗｏｅｓｅ）在１９９８年提供了一个全新的理论来解释“第一个基本的共同祖先”．即这种原初的祖先并不是一个具有特定基因组的个体，而是一个许多彼此分享基因的个体组成的群体。也就是说，“第一个基本的共同祖先”并不是一个特定的完整的个体，而是一个有着各式各样遗传背景的原始细胞群体．它们作为一个完整的生命单元一起生存和演化［２】。在这种群体中，没有垂直性的遗传．主要依靠的是基因平行转移的方式。渥斯认为，在这个最早期的生命王国里，人们看到的是，“在细胞的海洋里到处浮动着基因和其产物”。

不久前。渥斯在他的关于“第一个基本的共同祖先”是一个群体的理论基础上，提出了早期细胞进化的模型【３】。最初的原始细胞的构成非常简单并非常松散，其细胞的所有组成成分很容易通过基因平行转移的方式进行改变或取代．从而基因平行转移方式成为早期细胞进化的主要动力。这种原始细胞的进化的基本单位是群体，以一个生态系统（ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ）作为一个整体进行演化。当这些原始细胞的构成变得相当复杂和相互关联后，原始细胞的演化进入了一个Ｉｌ缶界点；在这个临界点上，细胞的各成分出现了高度的整合，新性状可以通过垂直的方式形成和传递。伍斯称这个临界点为“达尔文式阈值”（Ｄａ刑ｉｎｉａｎｔｈｒｅｓｈｏｌｄ），因为原始细胞一旦过了这个关口．就开始形成了位于达尔文系统进化树“根部”的真正的细胞。

最小基因组

尽管“第一个基本的共同祖先”通过在细胞群体间采用基因平行转移的方式分享基因和其产物而回避了“最小基因组”的难题。但研究者依然想知道“最小基因

组”的大小和基本组成。生殖道支原体（肘如Ｄｐ如釉

舻凡ｉｔ耐ｉＭｍ）是一种寄生细菌，它的基因组是目前已测定的物种基因组中最小的一个，仅有４６８个基因。科学家将它的基因组与另外一种细菌流感嗜血杆菌

（日凹，加ｐ＾ｉＺ哪ｉ胡獬陀∞）的基因组序列进行了详细的

比较，发现有２４０个生殖道支原体基因与流感嗜血杆菌基因存在垂直同源性（ｏｒｔｈｏｌｏｇｓ），因此认为最小基因组需要大约２５０个基因【４】。

这里要注意，离开环境单独讨论最小基因组毫无意义，必须要把生物生存的外部环境作为基本的边界条件。一般认为，最小基因组的生物个体应该生存在具有所有基本的营养成分和没有环境压力的条件下。在这种环境下的最小基因组的主要组成部分如下：（１）一个几乎完整的翻译系统；（２）一个基本上完整的ＤＮＡ复制机

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器：（３）一个进行ＤＮＡ重组和修复的系统；（４）具有４个ＲＮＡ聚合酶亚单位的转录装置；（５）一组参与蛋白质折叠的分子伴侣蛋白；（６）完整的无氧中间代谢途径；（７）辅酶合成途径；（８）蛋白质转运机器问。

最小基因组的确定除了通过用计算手段比较基因组以外，另一个重要的途径是采用实验的手段。早在比较基因组方法出现之前，美国科学家伊塔亚（Ｍ．Ｉ—ｔａｖａ）就利用基因剔除方法。在细菌枯草芽孢杆菌

（口ｎｃ垅ｗｓ如扰厶）基因组上随机敲除了７９个基因，通

过分析这些基因剔除品系是否存活来探讨最小基因组。他的结果与后来利用计算和比较基因组方法得到的非常接近阿。另一位著名的科学家文特（Ｃ．Ｖｅｎｔｅｒ）也采用基因剔除的办法，对上面所说的生殖道支原体的基因逐个进行敲除。并检查其存活情况。文特研究组利用实验的手段表明。生殖道支原体有可能只需要２６５到３５０个基因就可以生存同。这个结果与比较基因组方法得到的也非常接近。

但是，采用逐一敲除的方式来确定最小基因组有着一个很大的缺陷。例如有一组基因，敲除其中的某一个时并不影响个体的生存，似乎这些基因并不是必需的；但如果把一组基因全部敲除后，个体将死亡。目前生物学家只能做到同时敲除两个基因。显然。若考虑在３００个基因这样一个数目上基因的排列与组合．采用基因敲除的方法来寻找必需基因是很难做到的。因此，文特提出了一个截然不同的实验方法：人工合成基因组，即通过人工设计和合成基因的方法来构造最小基因组（详见《科学》２００４年第３期第２３页）。

对于几十亿年前的生命，人们通常用化石来证明它们的存在。而对于建立在基因平行转移机制上的“第一个基本的共同祖先（群体）”，从逻辑上讲则不可能得到直接的证据。然而，这一理论有助于我们理解“基因平行转移”在生命进化中扮演的角色，同时它使我们在理解最小基因组时有一种新的思路。最小基因组的确定则不仅有助于研究生命的起源。而且有助于人工合为重大。

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２００４年９月（５６卷５期）

成全新的生命。后者对今天的生命科学工作者意义更【１】Ｂｕｌｔ

【２】Ｗｏｅｓｅ【３】Ｗｏｅｓｅ

嗍ＭｕｓｌｌｅｇｉａＩｌ【５】Ｉｔａｙａ

【６】Ｃ１ｙｄｅ关键词：基因平行转移细胞起源最小基因组

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