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小鼠的故事

2020年6月30日  来源:祖先的故事 作者:理查德·道金斯 提供人:huangtang13......

在数千种啮齿类动物当中,学名为Mus musculus的小鼠(家鼠)有一个特殊的故事要讲,因为除了人类之外,它们是被研究得最为深入的哺乳动物物种,远远超过常常在英语习语中出现的豚鼠(guinea pig)[166]。世界各地的医学、生理学和遗传学实验室中最主要的实验动物就是小鼠。而且,小鼠是继人类之后第二个被测定全基因组序列的哺乳动物物种[167]

哺乳动物基因组在两个方面显得出人意料。首先,哺乳动物基因组包含的基因数量相当少,根据最近的估计,人类只有不到2万个基因。其次,这些基因组之间高度相似。人类的尊严似乎要求我们应该有着比小老鼠多得多的基因。再说了,难道基因的数量不应该远远超过2万个吗?

最后一点意外使得人们猜测“环境”对生物形态的塑造作用一定比我们原先估计的更重要,因为没有足够的基因来决定身体的形态,甚至有一些本不该如此幼稚的人也持有这种幼稚得惊人的逻辑。我们凭什么标准判断到底需要多少基因才能决定一个身体的形态?这种想法其实是基于一个潜意识的假设,认为基因组就像是某种蓝图,每个基因只负责某一小部分身体的构建,然而这种假设是错误的。就像《果蝇的故事》将告诉我们的那样,基因组并不是一个蓝图,而是更像一个菜谱,一个计算机程序,或者拼装说明书。

如果你把基因组看作一幅蓝图,你也许会预期你自己应该比小老鼠需要更多的基因,毕竟人这种动物那么大,那么复杂,而小老鼠的细胞数目则少得多,大脑也更加简单。但是就像我前面说的,基因不是这么工作的。就算把基因组看成菜谱或说明书,如果理解方式有误,也可能会产生误导。我的同事马特·里德利在他的《先天与后天》(Nature via Nurture)一书里讲到另一个比喻,我觉得这个比喻清晰又美妙。在我们测序的基因组中,虽然其局部可以被看作一本说明书或者一个计算机主控程序,但基因组整体上并非是关于建造人类或老鼠的说明书或程序。如果基因组真是一个程序的话,也许我们的程序确实应该比老鼠的程序大得多。但我们的基因更像是一部字典,包含撰写说明书所需要的那些字,或者就像我们将要看到的那样,像是一组子程序,等着被主控程序调用。用里德利的话说,《大卫·科波菲尔》(David Copperfiel)跟《麦田里的守望者》(The Catcher in the Rye[168]所用的字词表几乎一模一样,都是一个有教养的英语母语者的词汇表,而两本书截然不同的地方在于那些字词的排列顺序。

当一个人被孕育成人,或者一只小鼠被孕育成鼠,二者的胚胎发育用的是同一套基因字典,用的都是正常的哺乳动物胚胎发育所用的词汇表。人和小鼠共享这套哺乳动物词汇表中的基因,而它们的差异取决于这些基因被调用的次序,取决于它们在哪些身体部位中被调用,还取决于调用的时机。这一切又受到一系列令人眼花缭乱的复杂机制的调控,对于其中某些机制,我们才刚开始有所了解,它们当中又有相当一部分来自DNA上不编码蛋白质的那些区域。我们现在知道,人类基因组中只有1%多一点的序列负责编码身体生长和维持所需的蛋白质,而通常只有这部分序列才是我们一般所称的基因。另外大约有8%的序列似乎行使着其他重要功能,据信其中大多数似乎负责基因表达的启动和关闭。这些调控区域通常位于它们所调控的基因序列附近,对于生物体的形态至关重要。其中一种常见的操作机制涉及一种被称为转录因子的蛋白质,这些蛋白跟DNA上的调控区域相结合,启动或关闭该区域关联基因的表达。有些受到调控的基因本身编码的就是转录因子,这就导致复杂而精细的时间级联控制和反馈回路。凭借这种内在的控制系统,在DNA水平上只需要少数细微的调整就可以改变不同基因最终被调用的顺序。

请不要将“顺序”理解为基因在染色体上的排列次序。除了少数例外(我们将在《果蝇的故事》里遇见这些例外情形),基因在染色体上排列的顺序就像词汇表中的字词排列顺序一样随意。在词汇表里,单词的顺序常常是按字母表排列的,但有时候也会出于使用的便利而排列,出国旅行时用的常用语手册里便是如此,机场用语、看医生常用语、购物用语等等手册也是很好的例子。基因在染色体上的排列顺序无关紧要。真正重要的是,当细胞机器需要用到它们的时候,它知道去哪里找到正确的基因,而我们对这一过程的实现机制有了越来越多的了解。在《果蝇的故事》里,我们将会继续讨论那些有趣的例外,在这些例外情形里,基因在染色体上的排列顺序不是任意的,反而像外语的常用语手册一样。目前,我们只需要知道,主要决定老鼠和人类差异的不在于那些基因本身,也不在于它们在染色体“常用语手册”上的排列顺序,而在于它们被启动表达的次序,这个过程就好像狄更斯或塞林格从英语词汇表里选取了哪些单词按怎样的次序连缀成句。

这个单词的比喻在某个方面有些误导性,因为单词太短了,所以有些作者更喜欢把基因比作句子。然而句子的比喻也不够好,有它自己的问题。不同的书并不是从一个固定的句库里抽出句子来进行不同的排列组合,大多数句子都是独一无二的。基因不同于句子,它像单词一样在不同的情境下被一次次反复使用。对于基因来说,比单词或句子更好的比喻是计算机里的工具箱子程序。

我碰巧比较熟悉的电脑是麦金塔(Macintosh,缩写为Mac)电脑[169],而且现在距离我上次编程已经有一些年头了,所以我在细节方面的知识必定已经过时了。不管怎样,原理依然不变,而且它对于其他电脑也是适用的。Mac电脑系统有一个程序工具箱,任何程序都可以调用其中的子程序。这种工具箱程序有数千个之多,各自负责完成一项特定的操作,这些操作可能被不同的程序以不同的方式一遍遍反复调用。比如有个叫ObscureCursor的工具箱程序,负责将屏幕上的光标隐藏,直到下次鼠标移动才会显现。虽然你看不见,但每次你打字时光标消失,实际上都调用了这个ObscureCursor“基因”。Mac电脑所有程序(以及Windows机器上那些仿造品)共享的那些为人熟知的特征,无论是下拉菜单、滚动条,还是可以用鼠标在屏幕上任意拖拽的可调窗口,以及许多其他特征,背后都隐藏着工具箱程序的身影。

之所以所有Mac程序都有相似的“外观和感觉”(正是这种相似性成为那场著名诉讼的主题[170]),原因正是在于,无论其作者是苹果公司、微软公司还是任何其他人,所有Mac程序都调用了相同的工具箱子程序。假设你是一名程序员,如果你想把屏幕上某块区域整体向某个方向移动,比如说跟随鼠标拖拽,但你却不去调用ScrollRect工具箱程序,那么你纯属浪费自己的时间。再比如你想在下拉菜单旁边添加一个复选标记,你一定是疯了才会选择自己写代码实现这一效果。实际上你只需要在程序里调用CheckItem子程序,一切就自动完成了。打开一个Mac程序的代码看看,不论作者是谁,不论该程序用的是哪种编程语言,也不论它的功能是什么,你会发现大部分内容是在调用那些熟悉的系统内置工具箱子程序。不同的程序只是在以不同的组合和次序调用这些子程序。

在每个细胞的细胞核里,其基因组都是一个包含着许多DNA程序的工具箱,这些程序可以执行标准的生化功能。不同种类的细胞,比如肝细胞、骨细胞和肌细胞,以不同的次序和组合调用这些程序,执行诸如生长、分裂和分泌激素等特定的细胞功能。小鼠的骨细胞跟人的骨细胞很像,却和小鼠的肝细胞不像,这是因为骨细胞履行的功能非常相似,而它们需要调用同一批工具箱子程序来实现这样的功能。这就是为什么所有哺乳动物都有着差不多同样数量的基因:它们需要的工具箱是一样的。

不过,小鼠的骨细胞确实跟人类的骨细胞有所不同,这也反映为它们调用不同的细胞核工具箱。小鼠和人的工具箱固然不同,但从原理上讲,即便工具箱相同也不会妨碍人和小鼠发展出两个物种之间的主要差异。要塑造出小鼠和人类不同的形态,其真正关键不在于工具箱本身的差异,而在于对子程序的调用有所不同。

啮齿类 / 兔类

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