奠基者基因的進化年齡及其意義

呂寶忠

研究員，上海交通大學腫瘤研究所，上海 200032

宏演化的趨勢之一是生物由簡單到復雜。傳統上，這是古生物學、比較形態學和進化－發育探討的主題。隨著基因組數據的不斷積累，當今一支以基因組進化年齡層分析為主要研究方法的新軍加入了進來。基因組進化年齡層就是在系統發育層面上新出現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體發育和腫瘤研究上發揮的作用。

生物進化的趨勢之一是由簡單到復雜，這是由基因數目的增加也就是新基因的產生（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，它在生物進化重大事件中扮演適應性進化角色，也就是這類事件的分子基礎。當然，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、神經珠蛋白（neuroglobin）和細胞珠蛋白（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，認為新基因可能從自身基因組中的非編碼DNA構成，稱為孤獨基因（orphan gene），如在果蠅中就突現位于X染色體并在雄性表達的這種新基因［4］；在靈長類中突現的而在非靈長類中缺失的270個新基因有部分也是這種基因［5］。

本文將對奠基者基因的出生即其進化年齡以及它對進化、發育和癌癥研究作一介紹。

1 探討宏演化趨勢（macroevolutionary trends）的傳統手段——古生物學、比較形態學和進化－發育方法

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。生物的發生和進化由表1所示。必須指出的是，不同生物發生和演化的進化年齡都是近似的，而且往往是低估的，因為發現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生可定為細胞起源之時，約在39億年前；最早的真核類細胞發生在16億年前；多細胞有機體約發生在9億年前；而多細胞動物如存在至今的海綿標定在6.35億年前；其他各大分類單元的發生和演化見表1。

古生物學研究必須依據化石，但不是所有生物都能形成化石（事實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），因此比較形態學和進化－發育方法能補其缺失環節。如在種類繁多的單細胞真核生物中，某些傾向于進化成植物，某些傾向于進化成真菌，另一些則傾向于動物。根據 Cavalier－Smith等學者的研究［6－7］，后兩者的親緣關系更近，并定名為Opisthokonda，而原生生物中較高級的襟鞭毛蟲（choanoflagellate，Monosiga）與多細胞動物中原始類型海綿親緣關系密切，一般將其標定為全動物（Holozoa）這一大分類階元［8］。

由于傳統的研究宏演化手段有其局限性，如古生物學必須依據化石，雖經好幾代古生物學家的艱辛工作，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“死無對證”，因而某些缺失環節也許永遠難以獲取；對比較形態學等方法而言，盡管可以推測不同物種的最近共同祖先（last common ancestor，LCA），但不僅不同學者之間爭議激烈，而且難以確定其分化的進化年代。本世紀蓬勃發展的基因組學應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——基因組進化年齡層學

基因是遺傳信息的載體，也是進化信息的保持者，通過比較基因組學和計算分子進化學［9］可以確定直源基因（orthologous gene，指有同源關系的不同物種含有的核心功能相同的基因如細胞色素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。

以直源關系為基礎，Koonin研究組［13］把當時已測序的7個基因組全序列分成革蘭氏陽性、革蘭氏陰性、藍細菌、古細菌和真核類5個分支，并認為只要在3個支上均具有的保守基因即可確定它有直源關系，構成一個有規定編號的COG（cluster of orthologous group）。迄今NCBI（National Center of Biotechnology Information，美國國家生物技術信息中心）網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數目（4873個，1997年版僅為720個）；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種胞內微孢子蟲（Encephalitozoon cuniculi）則組成了 KOG，含有4852個KOG。

表1 基于化石記錄的生物進化［10－12］

隨著人類基因組的問世以及比較基因組學和計算分子進化學等的興起和快速發展，Domazet－Lo?o等指出［15］，目前已具備了從基因組水平充實對宏演化中適應性進化重大事件的一條新途徑，這就是以基因組進化年齡層學（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出現的基因；奠基者的起源標志著新功能，即創新功能的突現，如在真后生動物（不包括海綿）中p21和p27的突現。

（2）基因組進化年齡層學：類似于用地層學（stratigraphy）及其包括的古生物劃分巖石各自生成年代，基因組進化年齡層學依據奠基者基因發生和蛋白質間斷突現原理建立了不同層次的重建宏演化趨勢的一種新統計學途徑。

（3）系統發育年齡層（phylostratum）：在系統發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的一組后生動物特有而在Monosiga中缺乏的諸多基因。

他們以果蠅為材料，將13382個果蠅基因（與Lewin在Genes IX一書中所述的約13600個略有不同）通過BLAST相似性搜索確定的奠基者基因突現的進化年代分配在12個系統發育年齡層即這些基因的出生年齡層內（見表2）。對果蠅胚胎發育的標本用原位雜交方法處理，發現上述各基因的出生年齡層均有奠基者基因表達，總數已達4141個基因。表2后兩列的對比可以看出相應層次出現的基因百分比極相似，表明表達譜是有意義的。此外，表2中的1～5個層次，分別相當于表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。表2中的后7個層次，較難找到表1中的不同層次。其間先后突現順次應該說是正確無誤的。看來只能應用計算分子進化學中的分子進化鐘來確定它們的進化年齡層。然而目前確定的分子進化鐘表述的年齡層常比古生物學方法標定的距今更遠，有時候要遠得多，因此這是一個亟待解決的棘手難題。

表2 果蠅基因組進化年齡層及各層表達的基因數據［15］

上述的基因組進化年齡層應該說是一個有待不斷完善的框架，至今尚不如地層學那么完善，盡管地層學中的不少地層還正在不斷細化中，但Domazet－Lo?o等的基因進化年齡層更需進行細分。在本文的以下部分將會涉及他們的一些更新版本。然而必須指出，正如Nei所陳述的，分子進化已將群體遺傳學中對種內進化或短程進化（short－term evolution）延伸至種間進化或長程進化（long－term evolution）［16］，而基因組進化年齡層學則將對進化的研究包括了基因水平和分子水平的宏演化分析，這從最根本的本質對達爾文的物種共同起源、適應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，基因組進化年齡層學途徑還可用于對發育遺傳學和癌癥研究上。

3 為個體發育中的系統發育保守期提供基因年齡數據

達爾文講過德國胚胎學家von Baer被脊椎動物胚胎的相似性搞糊涂的故事。von Baer在給達爾文的信中寫道：

“我手里現有兩個泡在酒精中的小胚胎。之前由于疏忽，沒有給它們貼上標簽。現在實在沒辦法分辨它們屬于哪一類動物。他們可能是蜥蜴，也可能是小鳥，還有可能是很小的哺乳動物。這些動物胚胎中頭和軀干的形成方式幾乎完全一樣［17］。”

其后的學者將上述形態上難以區別的胚胎時期稱為系統發育保守期（phylotypic stage）［12］，并認為可將同一門的動物之間在形態發育上的差異比擬為古代計時用的沙漏（hourglass）即呈現兩頭大中間小的形態差異（中間小的階段即為系統發育保守期）。持反對意見的學者認為沙漏模式僅憑主觀判斷的動物形狀相似性，可信度差。

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

對前者而言為：合子→卵裂→囊胚→原腸胚→體節分化期→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發育年齡層分成14個層次（從第1層至第14層）。

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

他們以基因表達微陣列方法檢測了上述不同個體發育階段中相應的系統發育年齡層的分布，結果表明：前者的咽鰓期和后者的胚帶延伸期均處于系統發育保守期，其顯著共同特點為古老基因高表達和年輕基因低表達，而在上述時期外的各期古老基因表達下降和年輕基因表達上升，表明系統發育保守期果真是發育調節和發育制約（development constraint）的關鍵點，從而保證動物體制（body plan）的穩定并準備了為其后分化作好充分保障，以分子標記（molecular signature）方式證實了系統發育保守期的客觀存在。

無獨有偶的是，Kalinka等［19］以相似方法在不同果蠅屬間（分化時間達4000萬年）的比較分析也證實了系統發育保守期的客觀性。兩個團隊的研究［20］為進一步從基因調控網絡和系統發育保守期的發育事件探索該特定胚胎時期開辟了一條新途徑，看來還可對動物整個發育過程的分子水平分析產生重要作用。

4 為癌癥起源與發展提供癌基因年齡數據

在1997年，有人把癌基因分為兩大類［21］：管護基因（caretaker）和門衛基因（gatekeeper）。前者支持了基因組的遺傳穩定性，而后者則涉及細胞信號并與個體成長有關。如果突變發生在前者，導致遺傳不穩定性的產生；后者的突變則與腫瘤發生發展關系密切，故更合適的可將后者譯為把關基因。癌癥的發生發展是多步驟的，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 用基 因組進 化年齡 層等方法，把從細胞起源至靈長類進化過程中不斷出現的新基因或奠基者基因分成19個層（phylostratum，ps）。

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

他們將總數為20259個基因中包含的3022個癌基因，通過BLASTN等方法將它們定位在上述19個ps中。結果發現，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，表明細胞起源、真核類發生時管護基因已經出現，而與癌癥密切相關的癌基因幾乎與多細胞動物同時起源于ps 5。其后的分布是下降的，新的癌基因或奠基者基因的發生可能是機體與癌癥進化的軍備競賽（arms race）產物。

上述對癌基因發生高峰的預測，不久即獲得了Srivastava等［23］對海綿基因組草圖完成和分析后意外發現的癌癥竟起源于迄今尚生存的這種最古老后生動物并隨著動物的進化癌基因繼續出生的工作所證實。無怪乎Mann［24］在新聞欄評價Srivastava等的發現時引證了Domazet－Lo?o的上述論文。

5 展望

由Domazet－Lo?o等開創的基因組進化年齡層學問世至今僅僅不到4年，在宏演化的研究上充實了傳統上以古生物學、比較形態學和進化－發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志，刻劃動物適應進化重大事件的最根本即基因本質。她對個體發育中存在的系統發育保守期也提供了分子內容，而且由他人的實驗所印證。在癌癥研究上提供了重要的進化線索，并為其后的海綿基因組草圖的完成和分析所證實。能提供預測并為其他學者隨后工作所證實的理論或假說，不愧值得引起關注。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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