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D*****r
发帖数: 6791 | 1 英文版：Regulating Evolution: How Gene Switches Make Life
http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=regulating-evo
【注：转载几段科学美国人中文版<环球科学>08年第6期上关于“基因开关”(genetic
switch)和物种进化的介绍文章。
作者 肖恩·B·卡罗尔（Sean B. Carroll）
本杰明·普吕多姆（Benjamin Prud’homme）
尼古拉斯·贡普勒（Nicolas Gompel）】
【摘要】人和狗的外形迥然不同，基因却有96% 完全相同。相似的基因为何产生如此巨
大的差异，原因隐藏在基因的非编码区。被称为“增强子”的不同基因开关，控制着同
一基因在不同物种的不同部位发挥不同作用。物种进化大都由基因开关的突变引起，基
因本身不必发生明显变化。正是这种基因开关产生了千变万化、多姿多彩的生物世界。
【以下为节选】
在人类基因组中，编码蛋白质的部分仅占1.5%左右，这些基因就像DNA序列海洋中为数
不多的信息孤岛。对于剩余的众多非编码DNA的功能，我们知之甚少，但其中一些在调
控基因表达的过程中发挥了重要的作用。这些调控序列就是进化的关键所在。
基因表达是指DNA序列转录为信使RNA，再由mRNA指导蛋白质合成的过程。大多数基
因的表达调控是在转录时进行的——细胞不会浪费能量来产生它们不需要的mRNA和蛋白
质，因此许多基因仅在特定的器官、组织或细胞中表达。在指导基因何时何处表达方面
，某些非编码DNA序列起着主要作用，它们是基因开关的组成部分，负责在正确的时间
和地点打开或关闭机体内的基因。一些名为转录因子的蛋白能够识别DNA上被称为增强
子的特异序列并与之结合，它们是基因开关的另一组成部分。转录因子与增强子在细胞
核内的结合，决定了这个细胞内基因开关的打开与关闭。每个基因至少包含一个增强子
。基因的编码区很容易鉴别出来，因为基因编码遵循的“语法”相当简单。但与基因不
同，增强子无法仅仅通过DNA序列来识别，必须通过实验加以证实。通常增强子包含数
百个碱基对，既可以定位于基因的任意一端，也可以定位在基因中间的非编码区里。有
时增强子序列与基因本身甚至间隔数千个核苷酸。
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在人类进化的历史中，一个突出的例子是，在一些虐疾流行地区，选择性地使某一
基因表达失活，可以使当地人对这种疟疾横行的环境产生适应性。除了人们熟知的A、B
、O等血型，研究者还对一些稀有血型进行了深入研究。其中一种稀有血型系统的特征
是，红细胞表面存在一个名为Duffy的蛋白。导致人体患上疟疾的间是原虫需要通过一
种受体来感染人体红细胞，Duffy蛋白正是这种受体的组成部分。Duffy蛋白通常位于人
类红细胞的表面，此外它还在大脑、脾脏和肾脏等部分发挥功效。此蛋白的不同功能分
别由不同增强子序列调控。几乎所有西非居然的红细胞上，这种蛋白的表达都是缺失的
，这使他们免遭疟疾感染。但与此同时，其他部位的Duffy基因增强子并不受影响。
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在机体的不同部位，有多个增强子调控着基因的表达。某一个增强子发生突变只会
在某一特定部位影响这个基因的活性，而不会波及其他部位。例如果蝇中一个名为
Yellow的基因可在发育中的身体及翅膀中产生黑色素，但是，Yellow基因的增强子发生
了突变，导致不同的果蝇种类有不同的黑色素样式。
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美国杜克大学的Gregory A. Wray与其合作者研究了人类其他方面的进化例子，这
些生物学上的进化都是通过各种人类基因中增强子的突变产生的。对巨猿和人类共有的
基因调控序列差异性的研究，是他们的研究中最让人感兴趣之处。该调控序列调节的是
强啡肽原基因，编码一组小分子阿片蛋白，主要产生于脑部，与感觉、行为及记忆相关
。响应同样的刺激时，人类强啡肽原基因的表达水平远高于黑猩猩体内的同样基因。这
是一个有力证据，表明人类中该基因的调控序列在自然选择中的压力下发生了进化——
也就是说，这种性状得以保留是因为它是有利的。
DNA调控序列发生的突变在人类进化过程中的作用毋庸置疑，此外调控的多变性还
可能是个体间体格和健康差异的重要原因。由于科学家无法像对待果蝇和鱼类那样操作
活人的DNA，因此目前发现的一些基因组分析新方法虽然令人欢欣鼓舞，但在研究到底
是哪些DNA调控序列发生突变使人类与其他物种产生差别时，仍然存在诸多困难。
有关DNA调控序列的进化研究仍处于蹒跚起步阶段。虚拟动物园中的各个基因组中，都
有成百上千的基因开关等待我们进行深入发现和研究。现在生物学家已拥有了照亮未来
研究方向的指路明灯：相对基因本身的突变而言，基因增强子的突变更有可能导致解剖
学水平的进化，对于那些多效基因来说尤其如此。
这一现象还揭示，如此多样化的动物群体如何共享绝大多数机体构造和身体形态基
因（该现象与科学家过去的预期恰好相反）。这些赋予动物不同外形的基因在何时及如
何发挥作用，这个问题是目前的重要研究内容。是什么使人类形态不同于其他的类人猿
，抑或为何大象与老鼠体形相差甚远？关于这一问题，对单独基因和蛋白进行研究并不
能提供大多数的信息。相反，真正的答案隐藏在基因组内那些仍然有待探索的崭新领域
之中。
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发现人类基因增强子的一个主要困难，是增强子通常藏身地人类基因组中数量巨大
的非编码区，对这些区域进行鉴定非常困难。生物学家正利用自然选择的保存作用来搜
寻非编码区DNA序列，这些序列在漫长的进化历程中通常保存完好，是发现增强子的希
望所在。
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在本文中，我们着重阐述了与物种间差异有关的增强子突变。一些保守增强子却履
行着一直没有变化的功能，并且很容易在进化中积累并增加。当物种在进化道路上分道
扬镳时，突变就以一定的频率有条不紊地改变着物种间DNA序列总体上的相似性。但与
此同时，自然选择从某种意义上来说却使增强子的序列得以稳定地维持，功能得以待续。
众所周知，律师和鲨鱼一样都是骗子，但谁能想到这样的相似性居然可以延伸到
DNA水平。新加坡分子与细胞生物学研究所及美国马里兰州罗克维尔市文特尔研究院的
科学家进行的研究恰恰表明了这一点。研究小组发现，尽管鲨鱼与人类在进化上已经分
道扬镳了近5亿年，但这两个物种基因周边的非编码区仍然共享了近5,000个元件(
element，是指DNA序列上的一段，增强子即为元件的一种)，这些序列都有可能是增强
子。值得注意的是，这些高度保守的元件大多数定位于机体构建基因附近，反映了脊椎
动物身体整体组织结构上的共同特征。
每一种脊椎动物都有解剖学特征，包括器官、组织及细胞类型等。这些特征在物种
分化的过程中被一直保留下来。在进化树上相距越近的物种，相似性越高。
基因组比较技术迅速扩展了人类、哺乳动物和脊椎动物增强子家族的数目。这为机
体外形相关序列的鉴定带来了希望。
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很长一段时间里，科学家曾非常肯定地认为，动物间解剖学上的差异明确地反映了
它们基因组的不同。但当我们对一些哺乳动物（如小鼠、大鼠、犬、人类及黑猩猩）的
基因组进行比较时，却发现惊人的相似性。在长达一亿年的进化历程中，每种动物的基
因数目（总共约有20,000个基因）以及许多基因在基因组上的相对位置均得以完好保持
。这并不是说这些动物的基因数目及位置完全相同，但乍看之下，这些基因组中没有什
么明显的东西能让你区分出小鼠、犬或人类。将小鼠和人类的基因组进行比对时，生物
学家鉴定出，99%的人类基因在小鼠中都存在相应副本。
换言之，我们人类并不像先前假定的那样，比我们身边的宠物、家鼠、家畜甚至河
豚有着更多的基因。或许这挺让人失望，但我们必须要接受这一事实。
生物学家在细节上审视动物的单个基因时，发现物种间依然具有很高的相似性。同
一基因序列的任意两个版本及编码的蛋白质，通常具有一定程度的相似性，这种相似程
度可简单反映这两个来源于同一祖先的物种在进化的路途上分道扬镳的相对时间。在考
虑与机体构造及身体形态相差的基因时，这些编码序列在进化历程中的保存情况令人尤
为迷惑。
从受精卵到成体的发育过程中，仅有一小部分基因（不到10%）与动物的机体构造
和身体形态相关。其余的则与各种器官和组织细胞的日常工作有关。动物间解剖学水平
上的差异（机体组成的细胞数量、体积、外观、颜色的差异），在某种程度上必定涉及
一些与机体构造相关的基因。实际上，基因与解剖特征发育有机联系的过程，在进化中
扮演了关键角色。这方面的研究逐渐形成了一门学科——进化发育生物学。在不同物种
间，相对于其他类型的蛋白，机体构造相关蛋白在平均水平上更具有相似性。这一发现
引起了一些从事该领域研究的专家（包括我们自己）的极大兴趣，因为这似乎呈现出一
种悖论：一些有着天壤之别的动物——如小鼠和大象，它们的外形差异极大，但调控外
形的蛋白质却非常相似。同样的现象还发生在人类及黑猩猩之间：大多数蛋白质的差异
仅仅来源于一两个氨基酸，而蛋白质中包含了数百个氨基酸；还有29%的人类蛋白在序
列上与黑猩猩完全一致。我们如何解释进化在蛋白和解剖结构两个层面上的差异呢？在
所有的基因组DNA中，一定在某处存在一些由进化所致的、有意义的差别。关键在于发
现这些差别，而发现这些差别的诀窍则在于确定从何处入手。事实上，定位这些差别远
比定位基因本身困难得多。
节选自＜环球科学＞（科学美国人 中文版）08年第6期 | l**********t
发帖数: 5754 | 2 thanks for sharing.
what cause the mutations in enhancer?
One thing from this article that I can't agree more--"我们知之甚少" (words from the "experts") -- but this doesn't stop some atheists from embracing the evolution theory whole-heartedly under the name of "science".
To be fair, Christians also embrace the Bible whole-heartedly even though we don't fully understand God. The difference is , we acknowledge it as a faith, while atheists don't.
【在 D*****r 的大作中提到】
: 英文版：Regulating Evolution: How Gene Switches Make Life
: http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=regulating-evo
: 【注：转载几段科学美国人中文版<环球科学>08年第6期上关于“基因开关”(genetic
: switch)和物种进化的介绍文章。
: 作者 肖恩·B·卡罗尔（Sean B. Carroll）
: 本杰明·普吕多姆（Benjamin Prud’homme）
: 尼古拉斯·贡普勒（Nicolas Gompel）】
: 【摘要】人和狗的外形迥然不同，基因却有96% 完全相同。相似的基因为何产生如此巨
: 大的差异，原因隐藏在基因的非编码区。被称为“增强子”的不同基因开关，控制着同
: 一基因在不同物种的不同部位发挥不同作用。物种进化大都由基因开关的突变引起，基
| G*******s
发帖数: 4956 | 3 谢谢分享。把作者的前提“进化”去掉，换成“各从其类”好像也读得通。 | D*****r
发帖数: 6791 | 4 我现在加了原文的链接：
Regulating Evolution: How Gene Switches Make Life
http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=regulating-evo
“知之甚少”特指非编码DNA中的大部分，全文讨论的却是已知的那部分的重要作用。
那句话原文是：
Much of the remaining noncoding DNA does nothing that we know of, but some
of those sequences participate in the very important task of regulating gene
expression. And these regulatory sequences are key to evolution.
from the "experts") -- but this doesn't stop some atheists from embracing
the evolution theory whole-heartedly under the name of "science".
we don't fully understand God. The difference is , we acknowledge it as a
faith, while atheists don't.
【在 l**********t 的大作中提到】
: thanks for sharing.
: what cause the mutations in enhancer?
: One thing from this article that I can't agree more--"我们知之甚少" (words from the "experts") -- but this doesn't stop some atheists from embracing the evolution theory whole-heartedly under the name of "science".
: To be fair, Christians also embrace the Bible whole-heartedly even though we don't fully understand God. The difference is , we acknowledge it as a faith, while atheists don't.
| l**********t
发帖数: 5754 | 5 thanks for the link to the abstract.
the comments at that website are quite interesting.
you haven't answer my question -- what cause the mutations in enhancer that
lead to the diversification in gene expressions.
gene
【在 D*****r 的大作中提到】
: 我现在加了原文的链接：
: Regulating Evolution: How Gene Switches Make Life
: http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=regulating-evo
: “知之甚少”特指非编码DNA中的大部分，全文讨论的却是已知的那部分的重要作用。
: 那句话原文是：
: Much of the remaining noncoding DNA does nothing that we know of, but some
: of those sequences participate in the very important task of regulating gene
: expression. And these regulatory sequences are key to evolution.
:
: from the "experts") -- but this doesn't stop some atheists from embracing
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