美国科学家逆转进化重建5亿年前远古基因

　　据物理学家组织网8日报道，美国犹他大学的科学家通过合成两种当代老鼠的基因的关键部分重建出了一种5.3亿年前的基因，通过时空逆转向世人展示了基因的进化过程。

　　分家基因又团圆

　　犹他大学医学院人类遗传学教授玛理奥·卡佩奇说：“这项研究进一步证明了在分子

级别生物发生了并正在发生进化，同时也进一步揭开了这一过程的神秘面纱。”他补充说：“通过逆转这一过程并重建后来分化为两种基因的古老基因，我们向人们展示了在进化或称中所涉及到的一些成分。”

　　由卡佩奇和博士后比特·特弗尔迪克进行的这项研究报告将发表在2006年8月一期的《发育细胞》杂志。特弗尔迪克说：“在进化过程中，基因分化为多种基因，然后这些基因又发生变异，这个过程已经发生了很多次，但至今没有人将它们再次合为一体。我们首次进行了这项古老基因的重建研究，我们已经证明，利用两种专门基因可以重建它们所从分化而来的古老基因。它向我们展示了生物进化所遵循的机理和过程，告诉我们大自然是如何改造它的生灵。”

　　卡佩奇和特弗尔迪克说，还可以将后代基因重建古老基因技术发展成为一种新型基因疗法，例如，可以将相关基因的一部分嵌入至疾病导致的突变基因中使其恢复正常功能，治愈疾病。他们所研究的基因是Hox基因，这种基因就像管弦乐队的指挥，它在动物胚胎发育期间指挥其它基因的活动。

　　5.3亿至4.8亿年前的某个时候，原始动物体内有13种Hox基因。距离现在最近的当代脊椎动物的共同祖先颚鱼，它的每个Hox基因分裂为了四种基因，所以13种Hox基因最后变为了52种基因。后来这些Hox基因的副本或因颚鱼的生存需要发生了突变，或因多余而消失，所以今天在人类和其他哺乳动物的体内只有39种而非52种基因。

　　两种现代Hox基因

　　Hox基因控制胚胎大脑干细胞的发育，并将大脑分为7个被称谓菱球的区域。当Hox基因伤残或被剔出鼠胚胎时，因为大脑干细胞发育畸形致使胚胎在出生后不久很快死去。科学家在美国亚利桑那州Apache and Navajo两个印地安人部落和土耳其以及沙特发现有20人的大脑干细胞存在相同缺陷，他们大脑干细胞存在的缺陷会导致呼吸、听觉、平衡和眼球控制出现问题。

　　Hoxb1基因可以决定菱球4中特殊神经细胞的构成，这种神经细胞将最终控制动物的面部表达。当老鼠出生时Hoxb1基因存在缺陷，就会导致面瘫，无法眨眼，无法摆动胡须或后缩耳朵。

　　特弗尔迪克和卡佩奇说，通过整合Hoxa1 and Hoxb1基因的关键部分，他们成功“复生”了与53000万年前的原始Hox1基因功能相同的基因。他们利用这种基因对Hoxb1基因存在缺陷的老鼠进行了治疗后，它又可以眨动眼帘，摆动胡须和耳朵了。

　　研究如何进行

　　进化的脚步会随细胞分裂和其中的每一个基因复制不断向前迈进。如果细胞中有两种相同基因，它会使一种基因继续正常工作，而使另一种基因发生改变或变异，绝大多数的变异都是不良变异，随着进化进行这些基因会被淘汰掉。良性变异的基因将存留下来，并担负起新的职责，这些两性变异的基因使有机体在适应环境过程中占据优势，从而避免被大自然淘汰。特弗尔迪克说，5亿年前Hox基因(还有其他基因)的四倍分裂赋予了动物一种生存优势，因为他们可以使用更多的基因来完成各项专业工作，包括不断适应环境的变化。

　　每个基因由DNA组成。基因的一些DNA携带有某种密码，这些密码决定一种蛋白质具有一些特定功能。一些基因变异改变了密码区域，因此使蛋白质的功能也发生了改变。一些变异则会改变基因的其他部分，这些部分被称为管理序列，管理序列决定基因和它表达的蛋白质何时何地在有机体内发挥作用。因为基因的管理序列是其密码区域的10至100倍，所以这个区域更容易发生变异。

　　一个关键的问题是，Hoxa1 and Hoxb1是否存在差异，因为他们的蛋白质编码区域或它们管理序列发生了改变。未能弄清这一点，科学家对调了这两种基因的编码区域。每个基因产生出了另一种基因的蛋白质。出生时携带有对调基因的老鼠身体完全正常。

　　这表明编码区域可以互换的，进化改变了每个基因的管理序列而没有改变蛋白质制造编码区。接下来，特弗尔迪克和卡佩奇从控制面部表达的Hoxb1基因中提取了一小部分管理序列，然后把它嵌入至可以使老鼠在出生后呼吸和存活的Hoxa1基因中，他们使Hoxb1基因的剩余部分丧失了功能。

　　Hoxb1残疾的老鼠在出生后发生了面瘫，当用空气吹它们的面部时，它们没有做出眨眼摇尾巴和翻卷耳朵反应。但当他们将Hoxb1管理序列的一部分嵌入至Hoxa1后，这种新基因同时具有两种基因的功能。这种合成基因的老鼠出生后可以呼吸，并生存了下来，这是Hoxa1基因的作用所至，而它们可以活动面部肌肉，又应归功于Hoxb1基因管理序列的那一小部分的作用。

　　卡佩奇说，通过将Hoxa1基因和Hoxb1基因的一部分合并在一起，他和特弗尔迪克使进化发生了逆转。他说：“我们所做的工作将人们带回了了Hox1身兼Hoxa1 和Hoxb1两职的时代。它提供了进化是怎样进行的真实例子，我们使它发生了逆转。”

　　这种Hoxa1-Hoxb1混合基因和5亿年前的Hox1基因并不完全相同，因为它缺少Hoxc1和 Hoxd1。但Hoxc1因为多余在进化过程中被淘汰掉了，而Hoxd1所扮演的也是一次要角色。卡佩奇说，所以合成的Hoxa1-Hoxb1基因实际上具有古老基因的所有功能。

　　一种新的基因疗法？

　　卡佩奇称，科学家假定，当一种基因复制为两种相同基因时，其中基因便会发生变异，这样可以让这两种基因分担原来的工作，这一过程被称为亚功能化(subfunctionalization)。

　　卡佩奇说：“现在我们给出了它是如何发生的真实例子——需要哪些成分，最初是如何分离这些功能，如何将这些功能集中一起重建出古老基因。”特弗尔迪克说：“这项研究为我们提供了一种潜在性基因疗法。”

　　如果一种基因复制为两种基因，它们会发生进化，职责开始分工，例如，一种在肝脏工作，另一种则在大脑工作。如果在大脑中的那个基因因疾病发生变异或被删除，用健康基因替换变异基因是极为困难或不切实际的。而我们的工作表明，肝脏中的副本可以被用来行使大脑中兄弟基因的职责。换言之，来自大脑基因的管理序列可以被植入至肝脏基因中，重建一个与正常大脑基因相似的新基因。

　　卡佩奇思索出这样一种情况：当一种突变异种β血色素基因导致血色素生产出错时，人便会患上β-地中海型 贫血(beta -thalassemia)。新的研究表明，它或许可以利用来自出错基因的的管理序列激活相似基因，创造出一个胚胎或年轻的可以制造正常血色素的β血色素基因。(杨孝文 任秋凌）