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废物和垃圾不一样

这跟计算机病毒很类似,不过,在道金斯提出数字寄生虫基因版的时候,前者尚未出现。一些转座子,如SINE,似乎是寄生虫的寄生虫,因为它们利用更长、更完整的序列来散播自己。从提供变异性的角度来看待它们的功能,这些英勇的尝试或许有一天能带来一种全新的突变,但实际上,它们更为直接也更常见的作用是偶尔扰乱基因的解读。

当然,这些自私的DNA序列能茁壮成长,完全是因为基因组有极小部分进行着更具建设性的工作:创造出一具能够充分生长、学习、适应物理及社会环境的躯体,最终茁壮成长,吸引配偶,生育下一代。到了这时候,自私的DNA可以说:“非常感谢,我们可以去占据你孩子的一半基因序列了。”

除了援引自私的基因理论,目前没有办法解释人类基因组里怎么会有这么大比例的此类转座子,没有其他理论更符合事实。然而,评论员一贯拒绝、辱骂该理论,还把它“埋葬”在遗传学的边缘地带。最惹他们生气的说法是“废物DNA”。阅读一篇相关主题的文章,不碰上几句对“基因组里部分基因没有用”概念的大力声讨(并且认为这个概念有失体面),简直不可能。“我们早就感到,对‘废物DNA’和假基因这两个名词(俗语意义)的失礼态度,”早在1992年,于尔根·布罗修斯(Jürgen Brosius)和斯蒂芬·杰·古尔德就双双表态,“掩盖了演变的核心概念,也即眼下没有用的特性,或许是未来变化的补充源头,有着关键的进化重要性”。每当我写到这个主题,我就会淹没在科学家义愤填膺的谴责声里,说我否定了DNA序列的未知功能。为此,我的回答是:针对谁的功能?身体,还是基因序列?

对“所谓的”废物DNA从道德上表示不满,这很常见。人们似乎真的被这种说法冒犯了。他们听起来非常像是面对演变捍卫信仰的人,他们就是不喜欢这个故事自下而上的性质。然而,我将证明,自私DNA和废物DNA都是十分准确的比喻,而且,废物和垃圾的意思并不一样。

有什么可大惊小怪的呢?我之前提到过,20世纪60年代,分子生物学家开始知道,细胞似乎拥有远远超出制造所有内部蛋白质所必需的DNA。当时,研究人员大大超估了人类基因组里的基因数量(认为有10万个以上,现在所知大约为两万个)。可即便根据这个颇有水分的数字,基因及其受控序列也仅占细胞染色体DNA总重量的极小一部分(至少哺乳动物是这样的)。人体内这一比例还不到3%。更糟的是,新出现的证据表明,我们人类似乎并不拥有最重的基因组或者最多的DNA。不起眼的原生动物、洋葱和蝾螈都拥有大得多的基因组。蚱蜢的基因组是人类的3倍;肺鱼的基因组则是人类的40多倍。这种神秘现象有个晦涩的名字,叫“c值悖论”,当时一些最杰出的科学家为此大惑不解。其中一人叫大野乾(Susumu Ohno),他创造了“废物DNA”的提法,认为大部分DNA恐怕并不在选择范围内,也就是说,或许不会受进化的持续打磨,适应身体的功能。

他没有说那是垃圾。一如西德尼·布伦纳(Sydney Brenner)后来的直白解释,各地的人们都懂得区别两种破烂:一种叫“垃圾”,它没有用处,必须加以处置以免腐烂发臭;另一种叫“废物”,它没有直接的用途,但也没有坏处,可以保存在阁楼里,兴许有一天还能拿出来用。你把垃圾扔进垃圾桶,而你把废物放在阁楼或车库。

可废物DNA的概念仍然遭到了强大的阻力。20世纪90年代到21世纪初,人类基因的数量稳步缩小,绝望地想要证明基因组其余部分必须(对生物体)有用的情绪日渐滋长。人类基因组这么简单,让那些喜欢把人类当成地球上最复杂生物的人大感困扰。废物DNA成了一个必须加以质疑的概念。RNA编码基因的发现、调节基因活性的多个控制序列的发现,似乎让这部分人找到了一些充满希望的救命稻草。等事情的面貌逐渐清晰,基因组有5%似乎受到了专门保护,不会在人类及相关物种之间变化,另外4%表现出了受到选择的部分证据,著名的《科学》杂志就忍不住宣布:“再也没有废物DNA了”。还有另外91%的DNA呢?

2012年,“反废物”运动达到了顶峰,一大群科学家联合起来,以“ENCODE”(The Encyclopedia of DNA Elements)名义发表了大量的论文。一如预期,媒体竞相庆祝,宣称:“废物DNA已死”。按照定义,非废物DNA指的是任何在正常生命期里存在生化反应的DNA,这样一来,他们得以断言,80%的基因组都是功能性的。(连癌细胞也可以算进来,哪怕它有着DNA超活跃的异常模式。)就这样,还是剩下20%什么事情也不做的DNA。不过,这种对“功能”的宽泛定义存在很大的问题,因为DNA发生许多事情并不意味着DNA要为身体做实际的工作,只不过,它要参与内务化学过程。ENCODE团队意识到自己走得太远了,在后来的采访中逐渐缩小数字。有人先说,只有20%的DNA是功能性的,之后却又坚持认为,不管怎么样,“废物DNA”应该彻底从“词汇表里删掉”。2013年年初,休斯敦大学的丹·格劳尔(Dan Graur)和同事有点不留情面地还嘴说,这就像是发明了一种新的算法,让20%活生生地大于了80%。

如果这一切看起来有点玄妙,或许比喻能帮上忙。我们想必都同意,心脏的功能是泵血。这是自然选择磨炼它要做的事。心脏当然还要做其他的事,比如增加体重,发出声音,防止心包泄气,可把这些叫作心脏的功能有点愚蠢。同样,虽然废物DNA有时会转录或改变,但是并不意味着它有身体功能。实际上,ENCODE团队争辩说,蝗虫的DNA比人类复杂3倍,洋葱的DNA比人类复杂5倍,肺鱼的DNA比人类复杂40倍。一如进化生物学家瑞安·格雷戈里(Ryan Gregory)所说,任何人要是认为自己能为人类基因组里的每一个字母分配功能,都该好好想想,为什么洋葱的DNA需要5倍于人类的DNA。

这里,是哪一方诉诸了天钩呢?不是大野乾、道金斯或格雷戈里。他们说,多余的DNA是自然产生的,生物体并没有足够的选择性激励清除自己的基因组阁楼。(当然,如果你认为,要是什么也不做,你阁楼里的废物会翻倍,那倒是挺吓人的!)细菌,因为数量众多,又为了轻身上阵好比竞争对手生长得更快,一般会保持基因组的清洁干净,不让废物DNA产生。大型生物体却不然。然而,很明显,许多人都有一种渴望,想要看到“多余DNA对人体有目的”(而非只对自己有目的)的解释。格劳尔说,批评废物DNA提法的人受制于“人类的惯有倾向,总是想要从随机数据中看出有意义的模式,对基因也是如此”。

这些年来,每当我提到废物DNA的话题,科学家和评论员总会激烈地告诉我,我错了,它们的存在已经被否定了。这让我很吃惊。我徒劳地指出,首先,转座子基因组充斥着“假基因”——死掉基因的斑斑残迹,更不必说96%的RNA转录自蛋白质还没合成之前就丢弃掉的基因(丢弃的部分就是“内含子”)。就算内含子和假基因里有一部分用来控制序列,很明显,大部分也只是用来占用空间,其序列可随意改变,对身体不会造成后果。尼克·莱恩认为,就连内含子,也是数字寄生虫的后裔,来自古生菌细胞吞噬细菌,将之变成第一代线粒体(结果古生菌发现自己的DNA反遭被吞噬细菌的自私基因序列入侵)的时期:内含子的剪接方式,背离了祖先(这些祖先是来自细菌的自我剪接的内含子)。

废物DNA提醒我们,基因组是由DNA序列建立的,也是为了DNA序列建立的,它不是身体所建立的,更不是为了身体而建立的。身体是DNA序列竞争求生而自发产生的现象,也是基因组自我延续的途径。尽管带来演变变化的自然选择绝非随机,但突变本身是随机的。它是一个盲目试错的过程。 3/dZ4ifPG4gEh2VCEXp4SxjMNVWb0O1cqFIrt4euvq4jx12uE9QtqvehecarxYBV

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