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欧洲的一首民谣说:

丢失一个钉子,坏了一只蹄铁;

坏了一只蹄铁,折了一匹战马;

折了一匹战马,伤了一位骑士;

伤了一位骑士,输了一场战斗;

输了一场战斗,亡了一个帝国。

看过《蝴蝶效应》这部电影的朋友再看这样一首民谣都会了解这样一个事实,千万不要丢掉一个钉子——当然,这是玩笑。但是,由于一个小小的变化而引起千差万别的后果还真不是做做电影效果。

生物学中蝴蝶效应的产生

不要说不可能,小小的一个变化确实可能造成致命的后果。人类基因组(Human genome)共有23对染色体,其中22对为常染色体,还有一对性染色体X染色体或Y染色体,含有约31.6亿个DNA碱基对,组成大约20000到25000个基因。研究人员推算,每代人每3000万个核苷酸中会产生1个突变,即每个人身上有约200个新产生的核苷酸突变(这项研究由英国韦尔科姆基金会桑格研究所、中国人民解放军总医院、深圳华大基因研究院等机构合作完成)。

科幻迷们这个时候就要开始幻想出各种史前巨蜥,异型和变种人的产生了。如果要真是这样,这个世界早就没有这么和谐了。实际上,绝大部分的突变都是沉默的,他们或许发生在非编码区(non-coding region),并不影响表达,要么发生的是同义突变,比如把“好像”这个词变成了“貌似”,反正没有什么看的出来的影响。

但是,确实是有丢了个钉子(单个碱基的突变),从而结束了一场战争(结束了一个人的生命)的事情发生。遗传学上最有名的单基因突变导致的病变之一就是镰刀形坏血病。这个突变发生在编码血红蛋白分子的基因上,一个CTT变成CAT,即其中一个碱基T变成A,使得一个血红蛋白β—亚基N端的第六个氨基酸残基缬氨酸(vol)突变为了谷氨酸残基(Glu)。突变之后的血红蛋白呈镰刀型,失去大量输氧的功能,而非正常的圆盘形,病的名字就是由此而来。关键的问题在这里,这种突变的红细胞只有在缺氧的情况下才会变成镰刀形,而由于镰刀形红血球细胞本身太脆弱及缺乏弹性,当患者身体处于脱水、受感染及低氧气量的情况下时,这些脆弱的红血球细胞就会破裂,于是血液变成浓稠而阻塞了血管,严重的会威胁到生命。所以试想,一个不知道自己携带变异基因的病人兴奋的登上青藏高原的土地,在拉萨的布达拉宫宫顶骄傲的赞叹生命的美妙的时候,突然一阵剧痛,病发瘫倒在地(这样的剧情虽然往往出现在豪斯医生的剧集当中,倒也不是不能),谁又能说这不是又一个蝴蝶效应呢?

基因并不决定一切

虽然基因决定了我们生活的方方面面:我们是长得象范冰冰还是像Angela baby,是像姚明一样高还是刘翔一样快,是性格上绵里藏刀还是刀子嘴豆腐心,但是,基因并决定一切。否则怎么样解释拥有相同基因的同卵双胞胎却不能永远保持一致呢?

这之间的奥妙就在于,除了人类庞大的基因组之外,还有一套凌驾于基因组之上的系统来调控基因的表达。这个系统在生物学上叫做表观遗传学(Epigenetics)。

很早之前,我们就从高中生物课上学到孟德尔定律的遗传学(Mendel genetics),通过基因重组,生物体能够制造出各种基因型和表现性。这使得兄弟姐妹们长的各不相同。但是,随着人们知识的增进,科学家开始思考:在不同辈人之间遗传的也许不仅仅只有基因,一定还存在某种非基因遗传因素,它们直接控制着基因,对基因发号施令,让基因发生作用或者丧失功能。

有科学家做了一个实验:他们培育出了一对刺鼠双胞胎,他们在基因组成上完全相同,但是在体色和胖瘦上完全不同。技巧在这里,这对双胞胎刺鼠拥有一个特别的基因——“刺鼠基因”。科学家让其中一只黄色刺鼠身上的“刺鼠基因”一直开启着,而让另一只褐色刺鼠身上的这个基因一直关闭着。他们发现,黄鼠的大脑中负责告诉它“我吃饱了,不能再吃了”的“食欲满足中心”被阻断了,结果导致它不停地吃,直到大腹便便,成为“胖鼠”,最终患上糖尿病和癌症;而褐鼠并不暴饮暴食,最终成为“瘦鼠”。

那么,是什么东西关闭了“瘦鼠”的“刺鼠基因”呢?是体育锻炼?不,是一种甲基分子(CH3-),它附着在“刺鼠基因”上,导致这个基因关闭。这种甲基分子其实就是一种“表观基因标签”。在每个活体动物体内都有数百万个类似这样的“标签”,其中一些像甲基分子一样直接附着在DNA上面,另一些则抓住DNA所包裹的组蛋白,时而抓紧时而放松,从而控制“标签”的开关。

这些甲基分子是怎么作用的呢?我们要首先了解DNA和染色体的组成和结构。打个比方:DNA就像一条拉链,左右两条互补的链拉合在一起时候是稳定的,拉链上面的滑动扣子,就是解旋酶,能够把两条结合在一起的链分开,之后其他的转录因子就可以结合在拉链特定的位置上读取DNA上的信息,然后合成蛋白质。想象一条很长很长的拉链,他先一圈一圈的绕在一个个圆形的的小泡沫塑料上——组蛋白,然后再自身象拧麻花那样顺时针拧在一起,最后这个很长的拉链就会形成一串拧在一起的麻花绳子,最大程度的利用了空间,让基因组那么多的信息都容在了小小的细胞核中。这个麻花绳子缠的很紧,所以回归到单个拉链左右两条链上的信息就不容易读取,这种拧的很紧的状态就是异染色质(heterochromatin)。基因组里那么多的基因,并不是所有时候所有基因都要表达的,当需要某个特定基因表达的时候,相应的转录因子就会被引导到相应基因的附近,然后启动读取的程序。但是问题是,这一长串拧的死死的绳子,怎么让转录因子进入到拉链内部呢?总不能硬生生的把绳子扯断,然后露出读取位点吧,也不能再一圈圈的解开完了再一圈圈的缠上,这也太浪费时间了。最后大自然找到了解决办法。她在最初的拉链的左右两条链上做了记号,在链子上某些有胞嘧啶(Cytosine)的地方盖上小帽子——加一个甲基(CH3)在上边,然后在拉链缠绕的小塑料泡沫的赖氨酸(lysine)的H3K4地方上插上小旗子——加一个或两个或三个的甲基(CH3)。这样,因为有了层层阻碍,链子在缠绕的时候就不再能够死死的绕在一起,而是留下了空隙让转录因子进来,使得读取链子上的信息变得容易多了。或者同时,当某些基因的信息不需要被读取的时候,就直接在基因启动子的DNA序列上面盖上很多小帽子(CH3),这样转录因子就不能开始转录,从而停止了基因的读取。

但是,在哪里盖上这些小帽子,什么时候盖,盖上了以后什么时候取下来,这些过程是由什么决定的,这些过程又会怎样影响基因表达的呢?这些问题,简单的说来(也许太过简单),就是表观遗传学(epigenetics)研究的内容。又因为这些过程是在整个基因组信息不变的基础上来改变表达的,所以就命名为表观(Epi-有“之上”的意思)遗传学。因为甲基修饰程序的不同,造成相同基因在不同时间的表达,或者有的基因表达有的基因不表达,所以,我们大概可以明白,为什么即使有相同的基因,表现出来的性状却可以很不同了。

小蜜蜂的故事

“有一个,小蜜蜂,飞到西又飞到东,嗡嗡嗡嗡,嗡嗡嗡嗡,不怕雨也不怕风。”这是80后都记得的一个动画片,大概讲的是小蜜蜂在他出生的时候遭到黄蜂来袭,他妈妈作为蜂后带着族里的蜜蜂转移了,他便和他的妈妈分开了,之后他不远万里去寻找妈妈,终于跟妈妈团聚的故事。

动画片中的小蜜蜂是“王子”,是蜂后的儿子,但是,在蜜蜂的世界里,并没有世袭这一回事。蜂后是从小被随机的挑选出来的。蜂后一生的任务就是负责产卵,延续族群的生命,而工蜂则全面负责采粉、酿蜜,筑巢、饲喂幼虫、清洁环境、保卫蜂群等工作。所有的蜂后在基因上和工蜂是一样的,她们都是雌性。但是当它被指定为蜂后之后,就开始食用蜂皇浆,终生食用蜂皇浆的蜜蜂就会最终成为蜂后。科学家认为这一过程很可能是通过不同食物引起DNA甲基化过程的差异而造成的。

富含比如胆碱(choline)和叶酸(folic acid)的食物可以在碳循环和甲基传递的化学反应中提供必要的成分,从而帮助甲基化的过程发生。研究发现,那些被挑选为女王峰的幼虫,会先抑制某些双潜能(bipotential)的特征基因,并且启动一组阶级相关基因(Cast-relatedgenes),包括代谢和呼吸系统基因。而工蜂则持续表现幼虫的典型基因。整个的过程就像电影一样,小小的一杯蜂皇浆引起了女王的诞生。

和蜜蜂一样,蚂蚁也是常见的社会型昆虫之一,同一蚁群内部的蚂蚁都具有相同的遗传物质组成,但是它们之间在寿命和行为上却具有极大差异。蚁后寿命长达数十年,而工蚁一般只存活几个月。

中国科学院昆明动物研究所与美国亚利桑那州立大学、纽约大学医学院和宾夕法尼亚大学医学院共同合作,利用新一代测序技术完成了弓背蚁(Camponotus floridanus)及印度跳蚁(Harpegnathossaltator)的基因组图谱 。在这个基因组中,基因组中检测到了5’甲基化胞嘧啶(5’-Cytosine),证明了DNA甲基化这种表观调控存在于蚂蚁基因组中,更加提起了人们对甲基化调控基因表型的极大兴趣。(文章发表在8月27日的《科学》杂志)

这就是一个甲基引起的蝴蝶效应。神奇吗?生命界里,比电影神奇很多的事情比比皆是,只要有一颗爱科学的心,你会找到很多快乐。

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15 Responses to “一个甲基引起的蝴蝶效应”

  1. Raman说道:

    "但是,基因并决定一切。"
    //好奇怪,到底是哪条触到禁区了……

  2. 匿名说道:

    学习了。

  3. Atry说道:

    小王子回家后要给他妈妈侍寝这种事我会随便告诉你么

  4. 拼音佳佳说道:

    计算机是二进制,DNA是四进制...生物肯定懂得用DNA来编程...

  5. yanfei说道:

    请教个问题,文中提到“每代人每3000万个核苷酸中会产生1个突变”,具体指什么?是受精卵与亲代相比较么?还是指每次分裂?

  6. yaoguang说道:

    缬氨酸是Val不是vol.血红蛋白也不是镰刀型或者圆盘形,而是含有正常血红蛋白或异常血红蛋白的红细胞. 而且镰刀形细胞贫血症的突变是GAG(编码Glu)到GTG(编码Val). 文章写得似乎太粗糙了些

  7. t_说道:

    缬氨酸好像是 Val

  8. ET说道:

    有的时候我在想中医中的调理养生等,是不是跟这个有关系,食物也能影响某些基因的表达,有时候一些化合物也能影响体内某些物质的合成,不知道中医中药的部分本质就是这个原理,呵呵

    • blanu说道:

      无聊的穿凿附会。并不是贬低中医学,但我们要明确它决不属于科学讨论的范畴。
      如果中医药学和表观遗传学有任何关联的话,我想它也不会比研究世界上任何一个文明的饮食来得更有价值。

      中药的功效十分不明确,有时甚至可以自相矛盾(当然并非指一本书中),如果按图索骥固然缩减了很大的范围,但是仍然价值不大,还不如利用超级计算机或者分布计算来算出药用分子的结构来得迅速。

      • wallflower说道:

        中医学中有许多科学解释不了的现象,但是科学解释不了不等于不科学,期待有钱有时间有兴趣的科学家能去研究这些问题。取其精华,弃其糟粕比一棍子打死更符合科学精神。

  9. kungdar说道:

    我记得高中学的是镰刀形细胞贫血症的突变是GAG(编码Glu)到GTG(编码Val)出错是在所难免的体谅作者

  10. 100说道:

    长得象范冰冰
    “像”

  11. blanu说道:

    表观遗传学是我在高中生物竞赛听课中最让我感兴趣的部分了,如果以此理论为基础,是不是可以在进化论上突破“自私的基因”的学说(新达尔文主义)?是否可以以此为武器有力地回应种族歧视和血统论?是否可以在生物学上揭示社会两极分化?
    我期待有社会生物学家写出如同《自私的基因》一样伟大的著作。

  12. alex说道:

    CH3-这是分子基团而非分子。

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