王文:追问生命终极秘密

2011-11-23 08:48 来源: 科学时报
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  基因,这个生命最终秘密的载体,在生命和物种的起源进化中,究竟是如何产生的?新基因是怎样把一个新的分子功能,加进一个自然界长期演化历史形成的功能系统及其基因控制网络中,进而改变这一系统功能的?

  “我们现在还不知道这些重要问题的所有答案。但是,至少我们现在知道,这样的问题并不是不可以研究的。”王文说。

  王文是中国科学院昆明动物研究所研究员、中德马普青年科学家进化基因组学小组组长,从事分子进化和进化基因组学研究,而新基因及其新功能的起源和进化问题,是他目前的主要研究方向。

  “猴王”与“斯芬克斯”

  王文在跟随美国导师、著名华裔教授龙漫远作博士后研究时,找到了他生命中发现的第一个年轻基因——Sphinx(斯芬克斯)基因。这个突变后导致果蝇同性恋的基因,与人类寻找千年的“龙阳断袖”的谜团密切相关。

  他们将其命名为斯芬克斯基因。在古希腊神话中,Sphinx是一种具有人头、狮身、天使翅膀的怪物。因为这个基因由预先存在于基因组中的两个基因嵌合而成,是世界上首次发现的由蛋白质基因转变而成的RNA基因,其产生距今不超过200万年。

  王文的研究还表明,斯芬克斯基因的形成过程受到正选择的驱动。幸运的是,正如俄狄浦斯解出了“斯芬克斯之谜”一样,后来的功能实验由龙漫远和学生戴红震完成,他们在经过6年的不懈努力之后,终于接近斯芬克斯基因之谜。

  他们发现,在敲除了斯芬克斯基因后,虽然单个的雄性果蝇在形态上并无变化,但是当把这些缺失斯芬克斯基因功能的雄性黑腹果蝇放在一起时,它们就会发生明显的相互性吸引,也就是出现了同性恋行为。

  王文建立的新基因搜寻体系很快产生了令人惊喜的收获。通过系统搜寻,他们鉴别到了数十个年轻基因,包括2004年发表的猴王(Monkey king)基因——其在100万年的时间里分裂出了4个新基因,就像神话故事中“美猴王”孙悟空,拔毛吹气变出许多小猴子那样。

  因此王文团队形象地把这个新发现的基因家族,命名为“猴王基因”——他们第一次阐明了基因分裂是如何实现的,此前生物学界早已有“基因分裂”的猜想,但科学家一直没有找到直接证据。

  如今的王文也正像“猴王基因”似的,一发而不可收拾地发现了许多新基因。

  探索生命终极秘密

  王文有深厚的中国情节,在美国的6年间,他连绿卡都没申请,“历史书籍看多了,自然就会有对国家强盛的执著之心”。

  2001年,时任中科院昆明动物所所长的季维智,利用机会前往芝加哥“游说”王文回归。

  在王文家中两位老友相见,没有刻意的寒暄,也没有浮泛的客套,季维智见面就说:“我给你找了一个更好的人才支持计划,回国建立马普小组。”

  从德国马普学会和中国科学院那里,这个小组每年将拿到20多万欧元和100多万元人民币的科研经费支持,还将获得宽裕的时间,只要在前3年中取得不错的成绩,就能获得延续到5年的持续支持。

  王文认为这是最适合他的人才支持计划。对生命科学来说,5年是一个产出周期。“现在我已经进行了5年半,很多重要结果正在产出。”

  在这个计划的支持下,王文的回国毅然决然。

  在回国后的短短八九年间,王文如鱼得水,完成了新基因起源进化的全貌绘制,阐明新基因起源的普遍模式和规律,并全面评估了新基因起源的各种机制及角色。

  过去的数年间,在王文带领下,马普青年科学家小组与国际一些研究小组合作,已陆续报道了包括“猴王”、“Hun”、BSC4、MDF1和nsr等在内的一系列新近产生的新基因。这些研究成果表明,新基因起源是一个重要的生物学现象,但全基因组水平具体有哪些重要的新基因起源机制,它们各自的角色是什么,却一直不清楚。揭开这个更高层次的谜底,成为王文回国后孜孜以求的答案。

  2008年,王文团队利用最新发表的12个果蝇种的全基因组序列,将新基因起源的研究提升到阐明全基因组水平模式的高度。他们通过大规模的基因组比较,鉴定了300多个果蝇物种特异的年轻基因。他们通过对这些基因起源机制的分析发现,基因重复是产生新基因最主要的机制,80%的新生基因拷贝由串联重复产生,它们之后又可能转化成散在形式的基因重复。

  有趣的是,在这项最新的研究中,发现有12%左右的新基因,是由非编码序列“变废为宝”而来的。这一发现颠覆了该领域长期存在的“进化不可能从头产生”的观点,证明了从头起源是新基因起源不可忽略的重要机制。

  同时,对所有新基因及其祖先基因的结构比较发现,有30%的新基因通过外显子重排等方式招募祖先基因不具有的序列,形成了新的嵌合基因。这样的结构为新基因提供了立即获得新的结构域和功能的机会,促使它们可以快速在群体内被自然选择固定。这些研究成果表明新基因的起源是一个重要的生物学现象。

  对于下一步的研究,王文对《科学时报》记者说,一方面,随着基因组测序的增多,他们将在其他物种里进行类似的探讨,研究其是否具有相同的模式;另一方面,将深入研究这些新基因对生物的进化、发育和功能起到的作用,这对生物发育、遗传、进化这3个重要生命科学现象的整合非常有帮助。

  一个新的基因是怎样出现的,出现以后通过怎样的分子机制实现什么样的功能;这些功能对生物进化有什么样的意义;很多基因参与了生物的个体发育,这些个体发育展现出来的性状或体态有什么进化价值,这些都是今后研究较为重要的方面。