這種生物原本生活在陸地，後因進入海洋而瘋狂進化，終成一代霸主

100多年前，遺傳學家發現了生殖細胞中存在染色體重組的現象。這像是一種緩慢但平穩的演化方式，通過每一代生物，讓基因組變得更具多樣性。但就算是一個鹼基出現異常，也可能會導致疾病。直至近期，科學家才弄清楚生物是如何精確控制這個過程的。

撰文 | 石雲雷

審校 | 吳非

有性生殖的優勢

20世紀最有影響的遺傳學家之一、諾貝爾獎獲得者赫爾曼·約瑟夫·馬勒（Hermann Joseph Muller）曾提出過一個理論，名爲馬勒的齒輪（Muller‘s ratchet）。作爲一個利用X射線研究基因突變的科學家，他表示有性生殖相比於無性生殖有一個很大的優點：有性生殖的生物在產生配子時，會經歷一個減數分裂的過程，這個過程能幫助生物修復嚴重的DNA損傷。

在這個過程中，染色體會先複製一次，隨後細胞會分裂兩次，也就是一個母細胞最後會產生4個子細胞。在第一次分裂時，母細胞中來自兩個親本的染色體會相互配對，它們互爲同源染色體。如果一條染色體存在雙鏈都受損的情況，染色體之間可以通過交換、重組來修復損傷。而在無性生殖的生物中，由於無法進行重組，由DNA損傷等情況導致的基因突變會不斷累積，最終導致生物死亡。（當然後期的研究證實，一些採取無性生殖的生物如細菌，也能通過其他的方式來有效修復DNA損傷，因此馬勒的這一觀點可能並不正確。）

馬勒提出這個觀點，與其師從的基因學說建立者托馬斯·亨特·摩爾根（Thomas Hunt Morgan）利用果蠅開展的遺傳學研究有關。在1916年，他還注意到在果蠅體內，具有相似的基因組成、能相互配對的染色體之間進行片段交換，並不只是爲了修復受損的基因，還能進行基因重組，使得各個子代的基因組成並不相同。但是，科學界一直並不完全完全清楚基因重組產生的具體機制。

每一代都在演化

基因突變、基因重組都能促使物種演化。對細菌和病毒等來說，它們繁殖能力強，在面對外界壓力時，可以通過快速的基因突變來演化。經過外界壓力的篩選，一個種羣可能只遺留下少數突變株，但由於其高效的繁殖能力，這些突變株又迅速形成一個新種羣。

多細胞生物體內也存在基因突變，但對它們來說，通過突變來演化並不是一條十分合理、具有效率的途徑。例如，人體內會通過各種方式來修復基因的突變和損傷，已有的研究發現，很多基因突變都和各種發育缺陷、癌症等多種疾病相關。對於有性生殖的生物來說，通過基因重組來擴大後代的基因多樣性，雖然緩慢，但是一種穩定且有效的方式。在這個過程中，一個常見的疑問是，爲什麼兩個同源染色體之間能精準地交換同等大小的片段呢？

可以想象，如果交換的基因片段不相等，就會導致一場災難。一個比較常見的例子，就是染色體易位（非同源染色體的片段重新排列組合，交換後會使染色體的長度發生改變），這個過程可能導致胎兒的染色體丟失，甚至導致流產等多種異常情況。由於參與有性生殖過程的基因在生物體內就有保守性，一些科學家嘗試通過研究一些較爲簡單的生物，來解答這個問題，以推進對多種生物的演化、發育的認識。而這次給出這個答案的，就是一種採取有性生殖的植物。

一種特別的植物

擬南芥（Arabidopsis thaliana）是一種體型十分嬌小的植物，其基因組較小，只有5對染色體，是一種典型的自交植物（採取有性生殖）。和它的“前輩”——孟德爾用於發現遺傳學規律的豌豆一樣——這種植物註定要改變人們對植物生物學和遺傳學的認識。

2012年，法國讓-皮埃爾·布爾然（Jean-Pierre Bourgin）研究所的科學家在此前研究的基礎上，發現了一種新的蛋白HEI10（一種泛素連接酶），它屬於一類被稱爲ZMM的蛋白。後者在減數分裂中主要負責調控同源染色體上的基因片段交換。此前的研究已經發現這類蛋白中的多種蛋白各有分工：一些蛋白負責將兩條染色體拉近，維持穩定的結構，另一些促進DNA的重組。

有一種猜想認爲，HEI10蛋白的功能會有所不同。它在染色體上的數量，能影響染色體進行重組的次數，或能控制染色體發生重組的位點。近期，在一篇發表於《自然·通訊》的文章中，來自劍橋大學的研究人員爲了驗證這一猜想，通過超高分辨率的顯微鏡和數學模型，研究了擬南芥在減數分裂時期，其染色體上HEI10蛋白的行爲。

他們發現，在最開始時，HEI10蛋白會把染色體當成一條軌道，在上面隨機移動，形成很多小的蛋白聚集體。隨着時間流逝，HEI10蛋白移動到同源染色體形成聯會複合體的位點。這一結構形成後，染色體之間纔會進行交換。HEI10蛋白移動到這個位置會被固定住，隨後，越來越多的HEI10蛋白會在同一個地點富集。最終，開始由HEI10蛋白組成的數百個小聚集體，變成了個位數的大聚集體。而在這幾個HEI10蛋白最爲富集的位點，染色體會發生交叉、重組的現象。

當增加植物體內HEI10蛋白的表達時，細胞內發生染色體重組的位點會增加，而重組位點之間的距離會更近。而將細胞中的HEI10蛋白的數量降低40%時，同源染色體只有一個聯會複合體區域會發生基因重組。研究人員認爲，細胞的聯會複合體區域是染色體進行交換的候選位點，而HEI10蛋白在位點上累積的數量，纔會決定基因重組是否發生。

在多種生物中存在

這種基因重組的模式在很多生物體內（包括酵母菌、線蟲、果蠅和哺乳動物）都是保守的。此前，在一篇發表於《自然·遺傳學》的研究中，霍華德·休斯醫學研究所的尼爾·亨特（Neil Hunter）教授等人發現當缺乏HEI10蛋白，小鼠體內染色體重組的前期過程能順利進行，但最終不會出現染色體重組，也就是說，HEI10蛋白在這一過程的後期具有決定性的作用。

這些生命都來自一個受精卵，而最初的這個細胞中的基因組，也決定了後面組成生物個體的每一個細胞中的基因組組成。無論是基因上鹼基突變的修復、表達以及基因重組都需要經過精密的調控，才能使生命得以存在、延續。但是，基因也十分脆弱，很多環境因素不僅能影響親代的基因、患病情況和壽命，還能通過基因的傳遞，來影響子代。

也就是說，一些不良的生活環境（空氣污染物、紫外線、重金屬和壓力等）和生活習慣（酗酒、吸菸和食用大量垃圾食品），不僅在影響我們人類自身的健康，可能正在改變我們最底層的基因。隨着未來生物技術的發展，一部分的有害影響或許可以被消除。但現今，我們每一個人得以擁有健康的身體，或許還得感謝家族譜系上的親人，以及體內時刻都在認真工作的各種細胞和分子。

本文轉自《環球科學》