來源：新浪科技
有機體往往會在演化過程中失去看似重要的基因，但它們能夠生存下來，甚至茁壯成長，靠的就是找到新的方法來應對舊的挑戰。
新浪科技訊 北京時間11月23日消息，近期的一些研究顯示，基因組複雜性的降低——包括關鍵基因的丟失——可能成功塑造了地球歷史上的生命演化。
2000年代初，克裡斯蒂安卡內斯特羅（Cristian Caestro）開始研究具有大腦和脊椎的動物如何演化，他選擇了一類名為「住囊蟲」（Oikopleura）的尾海鞘綱動物作為研究對象。與所有海鞘一樣，住囊蟲也有一個很小的大腦和神經索，但與其他海鞘不同的是，住囊蟲在逐漸成熟的過程中不會經歷變態，即終生保持幼體有尾的狀態。卡內斯特羅認為，住囊蟲與其他海鞘相比，可能保留了更簡單、更古老的特徵，而這些特徵或許可以幫助我們了解它們的演化起源。
和其他海鞘一樣，住囊蟲也有大腦和神經索。然而，它們缺少某些在形成特定解剖結構時必不可少的基因，也缺少許多其他動物中廣泛保留的基因。
「這就是我挫折的開始，」卡內斯特羅說道。他是西班牙巴塞隆納大學的遺傳學、微生物學和統計學教授，也是該校生物多樣性研究所的課題組負責人。他的團隊未能在住囊蟲的基因組中找到某些本該存在的基因；在動物界中，這些基因非常保守（不變異）。尤其是，他們沒有發現任何一個參與視黃酸（retinoic acid，又稱維甲酸）合成、改性或降解的基因。視黃酸受體基因也沒有。然而，視黃酸信號被認為是構成大腦、神經索和其他重要特徵的必要因素。此外，住囊蟲也缺乏一種似乎對觸發心臟組織發育至關重要的基因。
「當你在腦海中想像一輛車的時候，它當然會有輪子，對吧？現在，如果我告訴你，我發現了一輛沒有輪子的車呢？」卡內斯特羅問道，「我們發現的情況是，那些我們認為至關重要的東西並不存在，但（它們製造的）結構還在那裡。這就會讓你重新思考某些基因的重要性。」
今年早些時候，《自然-生態與演化》（Nature Ecology & Evolution）雜誌上刊登了兩篇令人驚訝的分析文章，充分說明了基因可以多麼的無足輕重，以及失去基因後，演化可以有多麼高的創造性。通過分析數百個來自動物界的基因組，西班牙和英國的研究人員發現，生命演化樹中普遍存在著驚人程度的基因缺失。
他們的研究結果表明，即使是早期的動物，也具有相對複雜的基因組，這是因為在生命史初期，基因複製出現了前所未有的激增。後來，隨著動物譜系演化出具有不同的門，具有截然不同的形態，許多基因開始消失，而基因丟失繼續成為此後演化的主要因素。事實上，基因的缺失很可能幫助了許多生物從它們的祖先中分離出來，並戰勝了新的環境挑戰。
德國耶拿大學的植物生物學家君特·泰森（Günter Theien）表示，直到最近，研究進化中的基因缺失還十分困難，因為「如果你看不到某種東西，可能是因為它不存在，但也可能是因為你找不到它」。科學家認為，基因丟失可能在共生或寄生物種中最為常見，因為它們可以通過將大量功能需求「外包」給生存夥伴或寄主，從而簡化自身的基因組。
現在，研究人員可以獲取更多且更高質量的基因組，從而檢查整個動物界的基因丟失模式，並清楚地表明這種現象並不局限於簡化或寄生的動物群體。在英國布里斯托大學從事比較基因組學研究的演化生物學家喬迪·帕普斯（Jordi Paps）說：「在動物界的演化過程中，有一些時期的基因缺失並不伴隨著形態簡化。」在前述兩篇大型基因組分析論文中，帕普斯參與了其中一篇的撰寫。
在認識到基因丟失對整個動物界演化的重要性之後，科學家就著手展開新的研究。當遺傳學家試圖了解基因的功能時，他們會培育出基因被「敲除」的突變小鼠，看看這些動物是否會出現反應，以及如何應對這種基因丟失。事實上，科學家已經發現，大自然進行了大量的基因敲除實驗——不僅是住囊蟲，而是所有複雜的生物體。這一發現為演化如何影響發育（反之亦然）提供了豐富的洞見，也是演化發育生物學（evo-devo）這門學科的重點。
要麼使用，要麼失去
基因在演化過程中的丟失似乎是一種破壞性的事件，因為基因所賦予的性狀確保生命的存在和健康。的確，如果個體失去某個非常重要的基因，它們可能會死亡或無法繁衍，自然選擇會將它們從種群剔除。然而，德國馬克斯普朗克分子細胞生物學和遺傳學研究所的演化基因組學家麥可·希勒（Michael Hiller）表示，事實上，演化過程中大部分的基因丟失很可能是中性的，並不會對生物體產生適應性後果。
之所以如此，是因為基因丟失通常發生在環境或行為的某些變化降低了基因的必要性之後。例如，如果一種關鍵的營養物質或維生素突然變得更容易獲得，那麼製造它的生物合成途徑就可能變得可有可無，而突變或其他基因事故可能會使這些途徑消失。基因丟失也可能發生在一次偶然的基因複製之後，由於自然選擇不再保留多餘的副本，這些基因就會退化。
耶拿大學的植物生物學家莉迪亞·格拉姆措（Lydia Gramzow）解釋道，植物提供了大量的例子，很好地說明了這種「要麼使用，要麼失去」的策略。許多植物物種都經歷了整個基因組的複製，然後是一波又一波的基因丟失。有時候，這些副本在丟失前會存在數百萬年之久，對於其中的原因，格拉姆措和君特·泰森仍在研究中。
在最近的一項研究中，來自中國和美國加州的研究人員對世界各地擬南芥屬植物的基因進行了研究，發現大約66%的蛋白質編碼基因出現了損壞型，即「功能缺失變異」（loss-of-function variants）。令人驚訝的是，在這些功能較差的基因中，有1%處於積極演化選擇之下；換言之，基因缺失或損壞的植株比正常的植株生長得更好。這些結果證實了美國華盛頓大學遺傳學專家梅納德·奧爾森（Maynard Olson）在1999年提出的「少即是多」的有趣觀點：有時候，丟失一個基因可以是適應性的。
海豚和其他鯨類動物失去了在其他哺乳動物身上發現的數十種基因。其中一個基因的缺失使它們的皮膚變得更厚，並且無毛，這是它們對海洋環境的適應性變化。
動物適應性基因丟失的最好例子之一可以在鯨類動物（包括各種鯨和海豚）中看到。麥可·希勒在2019年的報告中指出，鯨類已經丟失了85個存在於其他哺乳動物的蛋白質編碼基因。這些缺失的基因中有許多可能是中性的，但有些似乎與潛水相關的適應性有關，比如潛水時血管的收縮。其中一個丟失的基因被稱為KLK8，十分有趣，因為它參與了皮膚汗腺和大腦海馬體的發育；鯨類在從陸地返回海洋的過程中失去了它。該基因的丟失與表皮變厚和毛髮的脫落有關（毛髮會產生阻力，因此適應水生環境，不能像陸棲動物那樣保持體溫）。
可預見的丟失
為了研究基因丟失的可重複性和可預測性，希勒的小組研究了食肉和食草哺乳動物譜系中的趨同基因丟失。許多基因丟失涉及的是動物不再需要的性狀，但希勒提出，至少有一種丟失是適應性的。有一種被稱為PNLIPRP1的蛋白質，可以抑制消化飲食中脂肪的一種酶，許多食草動物已經獨立失去了編碼這種蛋白質的基因，但食肉動物還保留著。在實驗中，當這種基因在雜食性小鼠身上被敲除後，這些動物就會超重、肥胖，因為它們從食物中獲取了太多熱量。或許是因為食草動物需要從低脂飲食中獲得最多的營養，因此沒有理由執著於PNLIPRP1。
粒毛盤菌屬真菌保留了在多細胞真菌中發現的一些基因和性狀，而在單細胞酵母中，這些基因和性狀丟失了。
同樣的趨同基因丟失也發生在棲息生態相似的酵母中。新加坡國立大學淡馬錫生命科學實驗室的高級研究員格雷戈裡·傑德（Gregory Jedd）對粒毛盤菌屬（Neolecta）真菌產生了興趣。這是一種不太知名的生物，具有多細胞真菌的所有特徵，儘管仍與酵母同屬一門（子囊菌門）。傑德和美國加州大學河濱分校的同事亞松·斯塔伊奇（Jason Stajich）對一個粒毛盤菌屬物種進行了基因組測序，識別出了數百個存在於粒毛盤菌屬和其他多細胞真菌中的祖先基因，而兩種單細胞酵母——出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae，又稱釀酒酵母，常用於製造釀造啤酒和製作麵包師）和粟酒裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe，在中非，人們用它來製作香蕉啤酒）——都丟失了這些基因。
這些發現表明，酵母從多細胞祖先獨立地演化出單細胞的生活方式。由於許多丟失的基因都與氧代謝反應有關，出芽酵母和裂殖酵母可能都在功能性消除相同基因方面有所突破，從而在缺氧環境中蓬勃生長。這種趨同的遺傳變化可能正是酵母單細胞和兼性厭氧生活方式的最佳解決方案。「這很有趣，因為這表明演化可能比我們想像的更具有可預測性和確定性，」 傑德說。
後來對酵母基因組進行的一項更全面的分析表明，基因丟失在整個酵母亞門中是普遍存在的。美國範德堡大學的安東尼斯·羅卡斯（Antonis Rokas）、威斯康星能源研究所的克裡斯·託德·希丁格（Chris Todd Hittinger）等研究者在論文中寫道：「我們的研究結果表明，做減法的演化是演化多樣化的一個主要模式。」
當然，通過拋棄基因來進行演化的風險是，即使某個基因在特定環境條件下可有可無，在數百萬年後也可能再次被需要。然後會發生什麼呢？事實表明，至少酵母有時可以將基因找回來。
葡萄牙裡斯本大學的博士後研究者卡拉貢薩爾維斯（Carla Goncalves）對一種酵母進行了研究。這種酵母失去了製造酒精發酵所需的酶的能力。她發現，當酵母通過基因水平轉移從細菌那裡獲得這些基因時，這種能力得以恢復。她指出，酵母實際上已經失去了多種代謝途徑中涉及的眾多基因，但可以從多種細菌中重新獲得了這些基因。
用新辦法解決老問題
酵母並不是唯一在新陳代謝方面具有高超能力的生物。海豚和鯨類、舊大陸的果蝠，以及大象——這是三類大腦體積相對較大的動物——都失去了一種名為HMGCS2的基因，這種基因是生酮作用所必需的。科學家認為，對於大體積且高能量消耗的大腦，生酮的代謝過程是其活動和生長所必需的。腦細胞消耗葡萄糖，但當葡萄糖無法利用時，它們就利用脂肪酸中的酮體來補充能量。HGMCS2是一種將脂肪酸轉化為酮體的酶，在禁食期間變得尤為重要。
沒有這種酶的動物往往會對飢餓敏感：失去HMGCS2基因的果蝠在飢餓24小時後就會死亡。然而，鯨類和大象的禁食時間更長，「這在某種程度上告訴我們，它們一定找到了在飢餓期間為大腦補充能量的其他方法，」希勒說道。
事實上，演化記錄表明，在大象和鯨類譜系中，HMGCS2基因的丟失發生在大腦體積獨立演化增大之前。「在哺乳動物的演化過程中，大體積大腦在沒有生酮作用作為代謝過程的情況下至少演化了兩次，」希勒說，「這表明，能量代謝可能比之前認為的更加靈活。」
大象和鯨類動物是如何在沒有生酮的情況下為飢餓的大腦提供能量的，科學家尚不清楚，但它們似乎已經演化出了另一種方式來應對這一生理挑戰。「如果沒有觀察到這一關鍵基因的丟失，你就不可能知道這是一個很不尋常的譜系，」希勒說。
傑德表示，這些例子都很吸引人，但也提出了一個問題：這些新的解決方案很可能並不是最佳的，那它們是如何取代祖先的方式，為大腦提供能量？
通過失去關鍵基因，演化為代謝或發育之謎提供了不同的解決方案，這不僅能揭示新的生物學理論，甚至可能激發針對人類疾病的新型生物醫學幹預措施。
希勒研究了缺失與人類疾病相關基因的動物身上出現的情況。在一些有趣的案例中，基因缺失並不會導致其他哺乳動物出現疾病症狀。例如，當TBX22轉錄因子基因在人類中不起作用時，就會導致顎裂。然而，豚鼠、狗和開普金毛鼴沒有這種基因。研究它們如何發育而不伴有顎部缺陷，可能是一個很有前景的生物醫學研究方向。
這種方法顛覆了常用的實驗模型：通常情況下，研究人員將疾病突變引入小鼠或其他模型生物中，以重現疾病狀態。但是，識別演化中丟失的基因可以揭示「如何在失去相同基因的情況下不生病，」希勒解釋道，「從概念上，這是一個截然不同的方向。」
巴塞隆納大學遺傳學、微生物學和統計學教授克裡斯蒂安·卡內斯特羅多年來一直認為，基因丟失可能是一種適應性演化力量。
更普遍的是，生命演化樹中普遍存在的基因丟失現象，與演化發育生物學中的一個經典主題背道而馳。卡內斯特羅表示，在20世紀70年代和80年代，「人們發現果蠅和人類使用相同的基因，這非常令人震驚。」用人類的Pax6基因替換果蠅的Pax6基因，果蠅仍然可以發育出眼睛。「現在我們發現，有時（生長出來的）結構是相同的，但負責形成這些結構的基因有很多不同，」他說，「怎麼可能在有如此多不同基因的情況下，它們的結構仍然是相同的？這就是演化發育生物學的逆悖論。」（任天）