Cell：复杂基因调控，或是“无心插柳”之作

　　

生物通报道  相比于低等细菌人类无疑是优雅、高等、复杂的生物，这一点或许看起来显而易见，但就基因而论，一位加州大学旧金山分校的科学家却想要转变对于人类和细菌进化的传统看法。

加州大学旧金山分校的生物化学和生物物理学教授Hiten Madhani认为，引导我们基因活性的分子并非是一群井然有序、协调运作的运动选手，而是像一群酸腐的官僚阻碍工作，造成了不必要的效率低下。与之相比，细菌能够有效率地执行这些过程，较少挫折表达自身的基因。

Madhani在发表于11月7日《细胞》（Cell）杂志上，一篇题为“The Frustrated Gene: Origins of Eukaryotic Gene Expression”的文章中，陈述了自己的观点。

尽管Madhani的想法是受到他自身的研究发现的刺激所产生，但他却将他的Cell论文描述为是一个“仅限如此”（ just so）的故事。这一向传统观点提出挑战的猜测，到目前为止还缺乏支持它的数据。他表示这一妙想源自于著名的科学家、诺贝尔获得者Sydney Brenner。“生物学淹没在了数据的海洋中，但它需要新的理论，”Madhani说。

Madhani说，大多数的科学家们都认为，在人类细胞中引导基因表达和蛋白质生成的分子机制必须非常复杂，才能使得驱动多层面生物进化和维持的反应灵活多变。

但他认为，遗传调控机器的这种复杂性最初进化并非是“有心特意”为了实现整个人类的发展。相反，早期真核生物首先进化出基因表达的复杂性，或许是为了阻碍反转录病毒等“寄生DNA”的感染，否则它们进入到细胞核中会破坏正常的基因。

与人类相反，没有采用引导人类基因表达的那些复杂机制，细菌适应性地以无数种的方式进化，控制它们的基因。事实上，包含数万亿细胞的人类，以及不过一个细胞的致病细菌，在很长的时间内都一直在共同战斗和进化，多药耐药细菌或许就是在这亿史诗般的斗争中出现的一类最新的恶棍。

尽管简单但细菌一直存在着。它们只有一条负载基因的染色体，缺乏细胞核。细菌的染色体没有称之为染色质的可修饰保护鞘。人类和细菌细胞的基因表达有许多的其他细节存在差异。细菌是“原核生物”，顾名思义它们是在细胞进化拥有细胞核之前出现的——根据来自化石的某些推测，时间是在30多亿年前。人类细胞拥有一个细胞核，以及许多被视之为是“真核生物”的其他特征。

Madhani说，尽管人类是在几百万年前由猿类进化而来，真核生物或许是在15亿年前单细胞酵母祖先出现之时就已存在——具有相同的复杂特征。

“认为人类基因表达的复杂属性的发展推动了复杂、多细胞生物的进化，这一观点或许是吸引人的。但真核基因表达的核心元件是在现代真核生物的远古单细胞祖先中建立。换句话说，早期真核细胞已经在适应防止寄生DNA，”Madhani说。

Madhani说他的想法来自今年早些时候他发布的一项研究。他的研究小组发现，一种称作SCANR的真核细胞机器在阻止寄生DNA破坏基因组中发挥了一种从前未知的作用。

SCANR保护对抗了很早以前侵入人类基因组的跳跃基因（转座子）。转座子可多次复制，将自身插入到基因组DNA中的随机位点。当转座子将自身插入到一个重要基因之中时，它或许会导致功能失常、疾病或先天缺陷。

Madhani开始思考细胞中有可能同样阻碍某些病毒的其他机制，不同于细菌病原体，病毒是依赖于人类宿主的遗传机器进行复制。

“但转座子元件攻击来自基因组内部，而病毒攻击来自外部，”Madhani说。

除了限制接近DNA的染色质，真核细胞还可能有一些RNA修饰和在蛋白质生成之前检测这些真核生物修饰的分子检测者。细胞核自身受到门控，使得只有一些分子能够进入细胞核。许多其他的真核细胞现象最早进化或许都是为了抵抗病毒和转座子元件。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

The Frustrated Gene: Origins of Eukaryotic Gene Expression

Eukarytotic gene expression is frustrated by a series of steps that are generally not observed in prokaryotes and are therefore not essential for the basic chemistry of transcription and translation. Their evolution may have been driven by the need to defend against parasitic nucleic acids.