呂寶忠

研究員，上海交通大學(xué)腫瘤研究所，上海 200032

宏演化的趨勢之一是生物由簡單到復(fù)雜。傳統(tǒng)上，這是古生物學(xué)、比較形態(tài)學(xué)和進(jìn)化－發(fā)育探討的主題。隨著基因組數(shù)據(jù)的不斷積累，當(dāng)今一支以基因組進(jìn)化年齡層分析為主要研究方法的新軍加入了進(jìn)來?；蚪M進(jìn)化年齡層就是在系統(tǒng)發(fā)育層面上新出現(xiàn)一組共同起源的奠基者基因。本文將介紹這支新軍及其在個(gè)體發(fā)育和腫瘤研究上發(fā)揮的作用。

生物進(jìn)化的趨勢之一是由簡單到復(fù)雜，這是由基因數(shù)目的增加也就是新基因的產(chǎn)生（顯然要減去一些老基因的滅絕或丟失）所引起的。奠基者基因（founder gene）是一類重要的新基因，它在生物進(jìn)化重大事件中扮演適應(yīng)性進(jìn)化角色，也就是這類事件的分子基礎(chǔ)。當(dāng)然，新基因并不都是奠基者基因，如在珠蛋白家族中分化的肌紅蛋白、神經(jīng)珠蛋白（neuroglobin）和細(xì)胞珠蛋白（cytoglobin）超家族中就只有一種是奠基者基因［1］。本文以下部分介紹的新基因僅限于奠基者基因。

基因數(shù)目是如何增加的呢？李文雄［2］提出了4條途徑：①基因倍增（gene duplication），這是最重要的一種；②域或外顯子的混排（shuffling）；③基因共享（gene sharing）和④基因的水平轉(zhuǎn)移。筆者［3］曾提出第5條途徑：同工替代（analogus replacement）。晚近有人提出第6條途徑，認(rèn)為新基因可能從自身基因組中的非編碼DNA構(gòu)成，稱為孤獨(dú)基因（orphan gene），如在果蠅中就突現(xiàn)位于X染色體并在雄性表達(dá)的這種新基因［4］；在靈長類中突現(xiàn)的而在非靈長類中缺失的270個(gè)新基因有部分也是這種基因［5］。

本文將對(duì)奠基者基因的出生即其進(jìn)化年齡以及它對(duì)進(jìn)化、發(fā)育和癌癥研究作一介紹。

1 探討宏演化趨勢（macroevolutionary trends）的傳統(tǒng)手段——古生物學(xué)、比較形態(tài)學(xué)和進(jìn)化－發(fā)育方法

地球存在至今已有45～46億年，目前將其分為前寒武（Precambrian）和顯生宙（Phanerozoic）兩大層次。生物的發(fā)生和進(jìn)化由表1所示。必須指出的是，不同生物發(fā)生和演化的進(jìn)化年齡都是近似的，而且往往是低估的，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)的化石殊難說是該物種的第一塊。從表1可見，最原始的原核類的發(fā)生可定為細(xì)胞起源之時(shí)，約在39億年前；最早的真核類細(xì)胞發(fā)生在16億年前；多細(xì)胞有機(jī)體約發(fā)生在9億年前；而多細(xì)胞動(dòng)物如存在至今的海綿標(biāo)定在6.35億年前；其他各大分類單元的發(fā)生和演化見表1。

古生物學(xué)研究必須依據(jù)化石，但不是所有生物都能形成化石（事實(shí)上即使能形成化石的生物也需要在特定條件下才能存留下來，但即使如此也不一定能挖掘到），因此比較形態(tài)學(xué)和進(jìn)化－發(fā)育方法能補(bǔ)其缺失環(huán)節(jié)。如在種類繁多的單細(xì)胞真核生物中，某些傾向于進(jìn)化成植物，某些傾向于進(jìn)化成真菌，另一些則傾向于動(dòng)物。根據(jù) Cavalier－Smith等學(xué)者的研究［6－7］，后兩者的親緣關(guān)系更近，并定名為Opisthokonda，而原生生物中較高級(jí)的襟鞭毛蟲（choanoflagellate，Monosiga）與多細(xì)胞動(dòng)物中原始類型海綿親緣關(guān)系密切，一般將其標(biāo)定為全動(dòng)物（Holozoa）這一大分類階元［8］。

由于傳統(tǒng)的研究宏演化手段有其局限性，如古生物學(xué)必須依據(jù)化石，雖經(jīng)好幾代古生物學(xué)家的艱辛工作，獲得了如表1所示的重大成果，但不能形成化石的生物，一旦滅絕的話，可以說是“死無對(duì)證”，因而某些缺失環(huán)節(jié)也許永遠(yuǎn)難以獲??；對(duì)比較形態(tài)學(xué)等方法而言，盡管可以推測不同物種的最近共同祖先（last common ancestor，LCA），但不僅不同學(xué)者之間爭議激烈，而且難以確定其分化的進(jìn)化年代。本世紀(jì)蓬勃發(fā)展的基因組學(xué)應(yīng)該說是研究宏演化的一支新軍，以下將予以介紹。

2 宏演化研究的新手段——基因組進(jìn)化年齡層學(xué)

基因是遺傳信息的載體，也是進(jìn)化信息的保持者，通過比較基因組學(xué)和計(jì)算分子進(jìn)化學(xué)［9］可以確定直源基因（orthologous gene，指有同源關(guān)系的不同物種含有的核心功能相同的基因如細(xì)胞色素c等等）和并源基因（paralogous gene，指在同一物種中由基因倍增及其后分化形成的基因，如在人體中存在的血紅蛋白α和ζ鏈）這兩大類同源基因。

以直源關(guān)系為基礎(chǔ)，Koonin研究組［13］把當(dāng)時(shí)已測序的7個(gè)基因組全序列分成革蘭氏陽性、革蘭氏陰性、藍(lán)細(xì)菌、古細(xì)菌和真核類5個(gè)分支，并認(rèn)為只要在3個(gè)支上均具有的保守基因即可確定它有直源關(guān)系，構(gòu)成一個(gè)有規(guī)定編號(hào)的COG（cluster of orthologous group）。迄今NCBI（National Center of Biotechnology Information，美國國家生物技術(shù)信息中心）網(wǎng)站上又公布了有更多真核類基因組的更新版COG［14］。新版含有比1997年版多得多的COG數(shù)目（4873個(gè)，1997年版僅為720個(gè)）；由真核類中1種線蟲、1種果蠅、1種人類、1種植物（即擬南芥）和2種酵母（釀酒酵母，即Saccharomyces cerevisiae，和裂殖酵母，即S.pombe）和1種胞內(nèi)微孢子蟲（Encephalitozoon cuniculi）則組成了 KOG，含有4852個(gè)KOG。

表1 基于化石記錄的生物進(jìn)化［10－12］

隨著人類基因組的問世以及比較基因組學(xué)和計(jì)算分子進(jìn)化學(xué)等的興起和快速發(fā)展，Domazet－Lo?o等指出［15］，目前已具備了從基因組水平充實(shí)對(duì)宏演化中適應(yīng)性進(jìn)化重大事件的一條新途徑，這就是以基因組進(jìn)化年齡層學(xué)（genomic phylostratigraphy）作為新的研究手段探索宏演化中諸多問題。在Domazet－Lo?o的文章中，插入了他們使用的新術(shù)語的詞義解釋，主要包括：

（1）奠基者基因：形成新基因譜系（gene lineage）或新基因家族中的第一個(gè)出現(xiàn)的基因；奠基者的起源標(biāo)志著新功能，即創(chuàng)新功能的突現(xiàn)，如在真后生動(dòng)物（不包括海綿）中p21和p27的突現(xiàn)。

（2）基因組進(jìn)化年齡層學(xué)：類似于用地層學(xué)（stratigraphy）及其包括的古生物劃分巖石各自生成年代，基因組進(jìn)化年齡層學(xué)依據(jù)奠基者基因發(fā)生和蛋白質(zhì)間斷突現(xiàn)原理建立了不同層次的重建宏演化趨勢的一種新統(tǒng)計(jì)學(xué)途徑。

（3）系統(tǒng)發(fā)育年齡層（phylostratum）：在系統(tǒng)發(fā)育上屬于共同起源的一組奠基者基因，如在海綿基因組中突現(xiàn)的一組后生動(dòng)物特有而在Monosiga中缺乏的諸多基因。

他們以果蠅為材料，將13382個(gè)果蠅基因（與Lewin在Genes IX一書中所述的約13600個(gè)略有不同）通過BLAST相似性搜索確定的奠基者基因突現(xiàn)的進(jìn)化年代分配在12個(gè)系統(tǒng)發(fā)育年齡層即這些基因的出生年齡層內(nèi)（見表2）。對(duì)果蠅胚胎發(fā)育的標(biāo)本用原位雜交方法處理，發(fā)現(xiàn)上述各基因的出生年齡層均有奠基者基因表達(dá)，總數(shù)已達(dá)4141個(gè)基因。表2后兩列的對(duì)比可以看出相應(yīng)層次出現(xiàn)的基因百分比極相似，表明表達(dá)譜是有意義的。此外，表2中的1～5個(gè)層次，分別相當(dāng)于表1的太古代、元古代中期、元古代上期、元古代上期約距今6.35億年前和寒武紀(jì)。表2中的后7個(gè)層次，較難找到表1中的不同層次。其間先后突現(xiàn)順次應(yīng)該說是正確無誤的。看來只能應(yīng)用計(jì)算分子進(jìn)化學(xué)中的分子進(jìn)化鐘來確定它們的進(jìn)化年齡層。然而目前確定的分子進(jìn)化鐘表述的年齡層常比古生物學(xué)方法標(biāo)定的距今更遠(yuǎn)，有時(shí)候要遠(yuǎn)得多，因此這是一個(gè)亟待解決的棘手難題。

表2 果蠅基因組進(jìn)化年齡層及各層表達(dá)的基因數(shù)據(jù)［15］

上述的基因組進(jìn)化年齡層應(yīng)該說是一個(gè)有待不斷完善的框架，至今尚不如地層學(xué)那么完善，盡管地層學(xué)中的不少地層還正在不斷細(xì)化中，但Domazet－Lo?o等的基因進(jìn)化年齡層更需進(jìn)行細(xì)分。在本文的以下部分將會(huì)涉及他們的一些更新版本。然而必須指出，正如Nei所陳述的，分子進(jìn)化已將群體遺傳學(xué)中對(duì)種內(nèi)進(jìn)化或短程進(jìn)化（short－term evolution）延伸至種間進(jìn)化或長程進(jìn)化（long－term evolution）［16］，而基因組進(jìn)化年齡層學(xué)則將對(duì)進(jìn)化的研究包括了基因水平和分子水平的宏演化分析，這從最根本的本質(zhì)對(duì)達(dá)爾文的物種共同起源、適應(yīng)等重大問題給出了最有力的詮釋和最有說服力的支持。此外，基因組進(jìn)化年齡層學(xué)途徑還可用于對(duì)發(fā)育遺傳學(xué)和癌癥研究上。

3 為個(gè)體發(fā)育中的系統(tǒng)發(fā)育保守期提供基因年齡數(shù)據(jù)

達(dá)爾文講過德國胚胎學(xué)家von Baer被脊椎動(dòng)物胚胎的相似性搞糊涂的故事。von Baer在給達(dá)爾文的信中寫道：

“我手里現(xiàn)有兩個(gè)泡在酒精中的小胚胎。之前由于疏忽，沒有給它們貼上標(biāo)簽?，F(xiàn)在實(shí)在沒辦法分辨它們屬于哪一類動(dòng)物。他們可能是蜥蜴，也可能是小鳥，還有可能是很小的哺乳動(dòng)物。這些動(dòng)物胚胎中頭和軀干的形成方式幾乎完全一樣［17］?！?/p>

其后的學(xué)者將上述形態(tài)上難以區(qū)別的胚胎時(shí)期稱為系統(tǒng)發(fā)育保守期（phylotypic stage）［12］，并認(rèn)為可將同一門的動(dòng)物之間在形態(tài)發(fā)育上的差異比擬為古代計(jì)時(shí)用的沙漏（hourglass）即呈現(xiàn)兩頭大中間小的形態(tài)差異（中間小的階段即為系統(tǒng)發(fā)育保守期）。持反對(duì)意見的學(xué)者認(rèn)為沙漏模式僅憑主觀判斷的動(dòng)物形狀相似性，可信度差。

Domazet－Lo?o等［18］以斑馬魚和果蠅分別作為脊椎動(dòng)物和無脊椎動(dòng)物模式生物，并分別將兩者的個(gè)體發(fā)育分期。

對(duì)前者而言為：合子→卵裂→囊胚→原腸胚→體節(jié)分化期→咽鰓期（pharyngula）→孵化期→幼年期→成年期；后者則為：卵裂→囊胚→原腸胚→胚帶延伸（germ elongation）→胚帶收縮（gene retraction）→頭部卷曲（head involution）→分化期→幼蟲期→蛹期→成蟲期。

接著他們分別把兩者的系統(tǒng)發(fā)育年齡層分成14個(gè)層次（從第1層至第14層）。

前者為：細(xì)胞（所有生物的共同祖先）→真核類→Opisthokonda→全動(dòng)物→后生動(dòng)物→真后生動(dòng)物→兩側(cè)動(dòng)物→后口動(dòng)物→脊索動(dòng)物→Olfactores（有頭類和尾索動(dòng)物）→脊椎動(dòng)物（有頭類）→硬骨魚（Osteichthyes或Euteleostomi）→輻鰭魚類→斑馬魚屬；后者為：細(xì)胞→真核類→Opisthokonda→全動(dòng)物→后生動(dòng)物→真后生動(dòng)物→兩側(cè)動(dòng)物→原口動(dòng)物→節(jié)肢動(dòng)物→泛甲殼類→昆蟲→有翅類（Endopterygota）→雙翅目→果蠅屬。

他們以基因表達(dá)微陣列方法檢測了上述不同個(gè)體發(fā)育階段中相應(yīng)的系統(tǒng)發(fā)育年齡層的分布，結(jié)果表明：前者的咽鰓期和后者的胚帶延伸期均處于系統(tǒng)發(fā)育保守期，其顯著共同特點(diǎn)為古老基因高表達(dá)和年輕基因低表達(dá)，而在上述時(shí)期外的各期古老基因表達(dá)下降和年輕基因表達(dá)上升，表明系統(tǒng)發(fā)育保守期果真是發(fā)育調(diào)節(jié)和發(fā)育制約（development constraint）的關(guān)鍵點(diǎn)，從而保證動(dòng)物體制（body plan）的穩(wěn)定并準(zhǔn)備了為其后分化作好充分保障，以分子標(biāo)記（molecular signature）方式證實(shí)了系統(tǒng)發(fā)育保守期的客觀存在。

無獨(dú)有偶的是，Kalinka等［19］以相似方法在不同果蠅屬間（分化時(shí)間達(dá)4000萬年）的比較分析也證實(shí)了系統(tǒng)發(fā)育保守期的客觀性。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究［20］為進(jìn)一步從基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)發(fā)育保守期的發(fā)育事件探索該特定胚胎時(shí)期開辟了一條新途徑，看來還可對(duì)動(dòng)物整個(gè)發(fā)育過程的分子水平分析產(chǎn)生重要作用。

4 為癌癥起源與發(fā)展提供癌基因年齡數(shù)據(jù)

在1997年，有人把癌基因分為兩大類［21］：管護(hù)基因（caretaker）和門衛(wèi)基因（gatekeeper）。前者支持了基因組的遺傳穩(wěn)定性，而后者則涉及細(xì)胞信號(hào)并與個(gè)體成長有關(guān)。如果突變發(fā)生在前者，導(dǎo)致遺傳不穩(wěn)定性的產(chǎn)生；后者的突變則與腫瘤發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切，故更合適的可將后者譯為把關(guān)基因。癌癥的發(fā)生發(fā)展是多步驟的，因此前者積累的突變是癌變的必要條件，而后者的突變可以說是充要條件。

最近，Domazet－Lo?o等［22］應(yīng) 用基 因組進(jìn) 化年齡 層等方法，把從細(xì)胞起源至靈長類進(jìn)化過程中不斷出現(xiàn)的新基因或奠基者基因分成19個(gè)層（phylostratum，ps）。

細(xì)胞起源（ps 1）→真核類（ps 2）→Opisthokonda（ps 3）→全動(dòng)物（ps 4）→后生動(dòng)物（ps 5）→真后生動(dòng)物（ps 6）→兩側(cè)動(dòng)物（ps 7）→后口動(dòng)物（ps 8）→脊索動(dòng)物（ps 9）→Olfactores（脊椎動(dòng)物＋尾索動(dòng)物，ps 10）→脊椎動(dòng)物（ps 11）→硬骨魚類（ps 12）→四足動(dòng)物（ps 13）→羊膜動(dòng)物（ps 14）→哺乳類（ps 15）→真獸類（ps 16）→胎盤動(dòng)物（Boreoeutheria，ps17）→Euarchontoglirea（兔形目、嚙齒目和靈長類的LCA，ps 18）→靈長類（ps 19）

他們將總數(shù)為20259個(gè)基因中包含的3022個(gè)癌基因，通過BLASTN等方法將它們定位在上述19個(gè)ps中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ps 1和ps 5中新基因或奠基者基因都是高分布的，ps 2的分布較ps 1略低，表明細(xì)胞起源、真核類發(fā)生時(shí)管護(hù)基因已經(jīng)出現(xiàn)，而與癌癥密切相關(guān)的癌基因幾乎與多細(xì)胞動(dòng)物同時(shí)起源于ps 5。其后的分布是下降的，新的癌基因或奠基者基因的發(fā)生可能是機(jī)體與癌癥進(jìn)化的軍備競賽（arms race）產(chǎn)物。

上述對(duì)癌基因發(fā)生高峰的預(yù)測，不久即獲得了Srivastava等［23］對(duì)海綿基因組草圖完成和分析后意外發(fā)現(xiàn)的癌癥竟起源于迄今尚生存的這種最古老后生動(dòng)物并隨著動(dòng)物的進(jìn)化癌基因繼續(xù)出生的工作所證實(shí)。無怪乎Mann［24］在新聞欄評(píng)價(jià)Srivastava等的發(fā)現(xiàn)時(shí)引證了Domazet－Lo?o的上述論文。

5 展望

由Domazet－Lo?o等開創(chuàng)的基因組進(jìn)化年齡層學(xué)問世至今僅僅不到4年，在宏演化的研究上充實(shí)了傳統(tǒng)上以古生物學(xué)、比較形態(tài)學(xué)和進(jìn)化－發(fā)育等法難以獲得的成果，尤其是該方法以新的癌基因或奠基者基因出生年齡為標(biāo)志，刻劃動(dòng)物適應(yīng)進(jìn)化重大事件的最根本即基因本質(zhì)。她對(duì)個(gè)體發(fā)育中存在的系統(tǒng)發(fā)育保守期也提供了分子內(nèi)容，而且由他人的實(shí)驗(yàn)所印證。在癌癥研究上提供了重要的進(jìn)化線索，并為其后的海綿基因組草圖的完成和分析所證實(shí)。能提供預(yù)測并為其他學(xué)者隨后工作所證實(shí)的理論或假說，不愧值得引起關(guān)注。誠然，她還很年輕，相信必將開出艷麗的花朵并碩果累累！

（2011年5月12日收到）

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