植物体内发现人类致病基因科学家为之尖叫来自于共同祖先

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来源The Search for Genes Leads to Unexpected Places – NYTimescom
译者somer

植物体内发现人类致病基因 科学家为之尖叫 来自于共同祖先

德克萨斯大学的爱德华·M.·马科特和他的同事们发现了数百种人类致病基因。

爱德华·M.·马科特（Edward M. Marcotte）正在寻找一种药物，能够阻止血管生长从而杀死肿瘤细胞。最近他和他德克萨斯大学的同事们发现了一些很好的靶目标——五种控制人类血管生长必不可少的基因。现在他们在寻找可以阻止这些基因表达的药物。奇怪的是马科特博士不是在人类基因组内发现的这些新基因，也是不在实验鼠身上，甚至不是在果蝇身上。这些新基因是在酵母菌体内找到的。

“从表面看来，这简直是太疯狂了。”马科特博士说。毕竟这些单细胞真菌不需要制造血管。它们甚至根本就没有血液。原来，在酵母菌中，这五种基因聚合在一起，共同完成一个和产生血管互不相关的工作——修复细胞壁。

更加疯狂的是马科特博士和他的同事们已经发现了数百种其它基因，它们虽然是在和人类关系很远的物种体内找到的，却和人类疾病密切相关。例如，他们在植物体内发现了耳聋相关基因；在线虫类动物身上发现了乳腺癌相关基因。他们研究成果最近发表在《美国国家科学院学报》上。

这些科学家们利用了我们演化史上的特性。在我们的变形虫样的祖先体内基因的集群已经聚合在一起完成修建细胞壁和其它生命活动所必需的基本任务。十亿年后的今天，很多这些基因仍然在一起工作，只不过在不同的生物体内完成着不同的任务。

此类的研究给达尔文的物种起源演化观点提供了新的转折。在19世纪中叶，解剖学家们着迷于不同物种性状的潜在的相似性——比如蝙蝠的翅膀和人类的手具有相似的结构。达尔文主张这种相似性是因为它们来自于同一家族谱系——我们称之为同源性。蝙蝠和人类具有共同的祖先，所以他们共同继承了具有五个手指（趾）的四肢。

差不多150年的研究已经充分证明了达尔文的深刻见解。举例来说，古生物学家已经发现大量过渡性化石，解决了许多模糊不清的同源性问题。其中一个例证就是鲸鱼和海豚的气孔和人类的鼻孔之间联系。化石证据显示了鲸类祖先的鼻孔是怎样从鼻子末端演变到头部上方的。

上世纪50年代，对同源性的研究进入一个全新时代。科学家开始发现了蛋白质结构的相似性。例如，不同的物种具有不同形式的血红素。每种形式适用于一种特别的生命样式，但是它们却是从同一个祖先分子演变而来的。

当科学家开始测序DNA序列时候，他们同样发现了基因之间的同源性。代代相传的过程中，基因有时获得意外的副本。每个副本都会有特定的突变。但是他们的序列仍然保持足够的相似性，显示他们具有共同的来源。

一个像手臂这样的性状是由许多基因编码互相协作而成。许多基因产生的蛋白质联合起来共同起作用。还有另外一种情况，一种基因编码蛋白质的开关受到另一种基因控制。

研究结果显示这些基因集群——有时被称作基因模块，一起保持合作经历了数百万年的历程。但是他们在不同物种中针对各自特有的方式进行了重新组装，对新的信号作出反应，帮助建立新的性状。

威斯康星大学的肖恩·B·卡罗尔（Sean B. Carroll）和芝加哥大学的尼尔·舒宾（Neil Shubin）还有哈佛医学院的哈里夫·塔宾（Cliff Tabin）在1997年联合发表了一篇很有影响力的论文，其中他们为这些“借用”的基因模块创造了一个新学术名词——“深同源性”。

从那时起，科学家对许多深同源性的例子进行了更为详细的研究。卡罗尔博士和他的同事最近通过重组基因模块发现了果蝇翅膀上的斑点是如何演化而来的。一种学名为Drosophila guttifera的小型果蝇变种翅膀上长有16个独特的斑点图案。卡罗尔发现控制这些斑点分布的基因同许多果蝇体内控制翅膀纹理和感觉器官的是同一组基因。这些模块被Drosophila guttifera果蝇借用来布置斑点。

我们的眼睛同样是深同源性的产物。水母的感光器官看起来与我们的眼睛完全不同，但是，它们都是由相同的基因模块产生的感光分子。

科学家还发现我们的神经系统与某些单细胞生物有着更深度的同源性。神经元细胞依靠突触形成连接相互联系。神经元细胞利用一套基因网络建立一个完整的支架系统来支撑突触。今年2月法国国家科学研究中心的亚历山大·阿烈（Alexandre Alié）和迈克尔·曼努艾尔（Michael Manuel）报道在一种叫做领鞭虫的单细胞动物体内发现了13个这种支架系统基因。

没有人确切地知道这些神经元细胞基因对领鞭虫有什么作用。可以确定的一点是它们不会被用来建立神经元突触支架。

直到现在，科学家们只是偶然发现深同源性的例子。马科特博士想知道是否有可能加快发现的进程。他推断，深同源性的证据可能已经躺在科学文献里等待我们去发现——具体来说，科学家为弄清各种各样的基因如何在物种体内运作已经做了成千上万的研究工作，深同源性的证据可能就在这些研究中。

科学家已经可以识别数千种人类基因，如果它们发生突变，就会导致人体患病。另外的研究人员也系统地诱变了6600个酵母菌基因，并观察了这些变异酵母菌在不同条件下如何生存发展的。马科特博士推测如果能够解析这两组数据，他就可能发现一些基因模块，虽然起着各自不同的作用，却能共同分布在关系较远的物种体内。

马科特博士和他的同事建立了一个数据库，其中包括了1923个与人类疾病相关基因。在此基础上他们又添加了来自于小鼠、酵母菌和线虫类动物的10000个性状相关基因。

然后，科学家们就开始寻找不同物种内产生不同性状的相关基因。于是，他们发现了文章开头提到的五个帮助建造血管的基因与酵母菌中的五个修复细胞壁的基因密切相关。

在发现这些共享基因后，马科特又取得了新的进展。他们在数据库内一共找到了67个酵母修复细胞基因。如果酵母菌和人类继承了一个共同祖先的基因模块，我们就可以利用酵母的其它相关基因版本来建造血管。

科学家研究了其它62种细胞壁修复基因。为此，他们在青蛙体内建立了相关基因版本，并且观察每一个基因在青蛙胚胎发育中是如何表现的。他们从中发现了另外5个基因同样可以产生蛋白质，发育生成血管。为了找到这些蛋白质对生成血管的重要性，他们逐个关闭编码这些蛋白质的基因，观察青蛙胚胎如何发育。

德克萨斯大学的发育生物学家约翰·沃灵福德（John Wallingford）是本项研究的合作者，他说：“我们最终发现了严重的血管缺陷。”马科特猜想人类与关系更远的植物是否也会有共同的基因模块。他和同事们扩展了他们的数据库，加入了拟南芥（Arabidopsis thaliana）22921个性状相关基因。

令人吃惊的是科学家们发现了48个人类和植物共有基因模块。 “当时实验室大厅里一片尖叫。” 马科特博士回忆说。

通过进一步研究，科学家挑选出一种奇特的人类与植物共有基因模块。这些基因与人体一种罕见遗传疾病瓦登伯格综合症有关。它是由胚胎神经嵴细胞紊乱导致的。通常情况下，神经峭细胞在胚胎内延伸，沿着背部形成一条带状分布。然后他们发育形成神经细胞、色素生成细胞和一部分颅骨。瓦登伯格综合症患者的症状分散在由神经峭细胞发育生成的身体各个部分中。他们包括耳聋、瞳距过宽、前额有白发还有面部白斑等。

科学家发现两种瓦登伯格综合症相关基因与拟南芥的重力感应基因相匹配。如果这些基因发生变异，植物就不能竖直向上生长了。

马科特和他们同事在他们的数据库内又找到3种拟南芥的重力感应基因。他们决定测试这三个基因是否也会在瓦登伯格综合症中起作用。

他们发现其中一个植物基因在青蛙的胚胎神经峭细胞中能够发挥作用。当他们关闭神经峭中的这个基因的时候，胚胎就发生了畸形。

卡罗尔博士认为这项新工作是早期研究发展的必然结果。“深同源性正在受到此类研究的推动，这让我们倍感欣慰。”他说。

“这是一种找出人类致病基因非常有效的方法，”加利福尼亚大学戴维斯分校的大卫·布莱基斯科（David Platchetzski）表示，他没有参与此项研究，“这可以让我们更快地向前发展。”