分子生物学基本概念

13.1 简述分子生物学

《生物学思想发展的历史》 恩斯特·迈尔著 涂长晟等译 https://www.tuenhai.com 整理

自从升物学中有了升物化学这一分支以后,它的许多发现对进化升物学都十分重要,虽然起初并没有认识到这一点。在这里可以提到1869年米歇尔发现核素,Nuttall在免疫学方面的研究,Garrod对先天性代谢障碍的研究,Landsteiner对血型的研究,以及后来Beadle和Tatum的工作。然而分子升物学直到1953年发现了DNA的结构才真正开始起飞。起初这对以前建立的进化概念并没有产生什么影响。最重要的直接影响是后来发现从核酸转译成肽和蛋白质是单行道(“中心法则”)。这一发现为彻底否定获得性状遗传提供了最有说服力的证据

在每次核分裂时种质的异常精确可靠的复制一直到最近并不是一个概念性问题。本质论者认为这是理所当然,相信软式遗传的人则认为文不对题。但是升物物理学家对于这复杂的复制过程几乎毫无差错的运行感到十分惊讶。当然,偶尔的差误也曾被发现,这就是遗传学家所说的突变。对进化主义者来说,这差误的幅度并不特别令人不安,因为他知道在发育以前或在发育中会有大量的配子和合子丧失。出人意外的是修复机制的发现,这机制能随后“修复”复制过程中的差误。这种机制的存在便对“突变速度”这个定义提出了疑问,然而它却有助于解释所观察到的复制错误非常少见的现象

一切升物(包括原核升物)的遗传密码大体相同的这一发现是地球上一切现存生命可以追溯到一个唯一起源的一个重要补充证据。分子升物学中的这一发现连同某些其他发现大大有利于简化和统一升物学,然而也有一些其他发现要求对现有的遗传学说作某些修正或至少是就我们对遗传过程的认识作某些修正

分子升物学早期的大多数研究是在病毒和细菌中进行的,并按奥坎氏简化论(Occam’s razor)假定在原核升物中的发现可以不加更动的应用于真核升物。然而近年来的研究指陈这一假定并不一定合理。特别是现在已很清楚真核升物的染色体的结构非常复杂,和原核升物的简单串联的DNA双螺旋结构根本不同,它的DNA是和某些蛋白质,尤其是组蛋白,紧密结合在一起构成大小不同的核小体(nucleosomes),其功能似乎也各不相同。目前这一类研究主要和生理遗传学有关,然而毫无疑问对有关真核升物染色体中DNA结构的了解最终将为某些迄今尚未解决的进化问题提供答案,例如进化趋向的控制,许多进化路线中表现型的稳定性,在遗传剧变(genetic revolution)中迅速转移到新的进化级(evolutionarygrades)等等。我们很可能是跨在重大发现的门槛处

当Nirenberg与Matthaei于1961年成功地破译了遗传密码时,一般都认为分子升物学中最后的一道难题已经解决。殊不知自那以后完全未曾料到的发现竟接踵而来,步伐也更加快。这些发现的主要影响直到现在还是在于基因生理方面,然而毫无疑问所有这一切也都具有重要的进化意义,当分子过程了解得更清楚时这重要意义必然会显示出来

控制遗传过程的都是亚显微结构,分子升物学家以超乎寻常的独创性开发了一些新技术可以推断分子结构,过程及其变化情况。实际上在这方面由于新技术的运用比引用新概念能更深入地了解分子进化。由Clem Markert首先采用的淀粉凝胶电泳是这些技术中最重要的一种。可溶性蛋白质根据其分子大小和电学性质在置于电场中的凝胶内移动距离不同从而能将这些蛋白质彼此分离开,用不同的染色技术可以见到凝胶中已分离的蛋白质。运用这种方法可以直接测定个体的遗传型而用不着任何选育分析。为了确定等位基因可以同时分析20、30个甚至超过70个基因座位(位点)。这方法能确定个体和种群的杂合性程度,这是.以往的方法办不到的。它还能将某个物种的地理种群以及相关物种加以比较以决定等位基因谱有多少部分是相同或不同的。这方法的最大缺点是只能显示结构(酶)基因的变异。另一个缺点是它不能分离具有等量电荷的等位基因,因而低估了等位基因数目。运用补充办法(热分解,改变PH)往往可以发现更多的等位基因。由于只详尽分析过少数的酶,所以在常规的电冰方法中究竟有多少遗传变异性被漏掉还有争论

由于这一技术精细出色而且即使不是升物化学家也能运用,所以自从1966年Hubby及Lewontin(用于果蝇)和Harris(用于人类)运用这一技术研究个体及种群的杂合性以后就兴起了一股研究酶变异的热潮。由于运用了这一技术才有可能取得的新发现数量很多:新的亲缘种(姊妹种),亲缘关系密切或疏远的物种之间差异程度的定量,防变化和物种形成之间的相关性,酶的地理变异与气候或其他环境因素的相关性,等等

根据这些研究所作出的结论中有一个结论(多少由其它高分子的行为所证实)是经历地质年代的分子变化的速度有某种规律性,也就是说氨基酸在进化中被取代的速度有一定的规律性。因此有些学者(首先是Pauling和Zuckerkandl,后来特别是Savich和Wilson)主张可以利用这种规律性制定“分子钟”(molecular clock),并由同源分子的差异程度推断两条进化路线之间的分岔点的年代(Wilson et al,1977)

目前由分子钟计算出的分岔点年代和古升物学家根据(公认是不足的)化石记录所计算出的有相当大的出入。另外也有其他证据表明在运用分子钟概念时必须十分审慎。例如相同的分子在同样的地质年代间隔中在某些种系序列中可能比在其他序列变化更快。另外也似乎有这样的情况,即变化的速度在某些种系序列中偶然会急剧下降。例如人和猩猩之间的分子距离小于果蝇属中某些物种之间的距离

另一个难题是分子钟概念意味着一种有关变化的内在规律牲,或者可以说是自发性。分子钟有时被用“每两百万年发生一次突变”这样的方式来描述。这样的陈述当然完全是误解;在同一基因座位上突变是经常发生的,但又一贯地被采样误差或自然选择所消除,直到分子背景发生了足够的变化以利于分子的三维结构改变。换句话说,分子钟是由自然选择而不是突变速度控制的。这已由很多高分子的例子证实,然而最有说服力的例子莫过于血红蛋白。血红蛋白的300多个氨基酸中只要有一个被取代可能就非常有害。例如镰状细胞性贫血是由于血红蛋白的β链上一个谷氨酸被缬氨酸取代所引起的。现在已发现人类有二百种以上的血红蛋白突变(以“隐秘”血型形式被发现),虽然在不少情况下它们并不是严重血液病的原因,但是这些突变中没有一种突变成功地在人类祖先中固定下来或以多形态形式表现。这些突变是被自然选择筛选的已由下述事实表明:人类的远亲猩猩的血红蛋白几乎和人类的完全相同,虽然文献资料记载的是血红蛋白具有很高的突变速度

对分子钟现象的解释可能是,每个高分子在细胞中通常也和10—25个其他高分子互相作用。然而当这些其他高分子中的某一些为了应付特殊的选择力而演变时,这些变化迟早会对原来的分子产生选择压力去取代一个氨基酸以便和它的遗传背景取得可能的最佳适应并恢复稳定状态

DNA的种类

因为一切基因都含有DNA,所以1953年以后就假定一切基因在功能上和进化特征上都基本相同。近20几年的研究表明并不是这种情况。有很多不同类型的基因,如酶基因,结构(不溶性)蛋白基因,调节基因等等,也许还有很多种我们还不知道的基因。高等升物的细胞核中含有足够五百万个左右基因所需的 DNA。而遗传学研究只为大约一万个或至多五万个传统的(酶)基因找到了证据。它们(连同其他种类的?)都属于所谓特殊顺序,但也有几类“重复DNA”和很多外表上“不活动的” DNA(它们的功能一直是个谜)。大多数不属于酶DNA的显然具有调节功能。对不同种类基因进化行为的差异的研究还只是刚刚开始(Davidson and Britten,1973;1979)

自从60年代末,尤其是1975年以后,分子遗传学的新发现一个接着一个,其速度是如此惊人,一个非专业人员是绝对无法跟上的。此外,有些发现是非常出人意料,对它们的解释也是众说纷坛。这些发现涉及真核升物的基因组。例如已发现某些基因(转位基因)能够在染色体上改变位置。更加奇怪的是发现了许多基因含有不能转录到信息RNA(mRNA)上去但在转录过程中被切除的序列(“内含子”,introns),基因的剩余部分(“外显子”,excons)后来又“拚接”起来成为功能性 mRNA。这就引出了两个问题;这样特殊的系统是怎样进化演变的?内含子是否仅仅是不活动的稳定因素或者具有还不知道的功能?目的论的答案是,这些看来不起作用的DNA被贮存起来“以备不时之需”,这答案是完全无法令人满意的。目前相当流行的一种解释是,这些额外的DNA是寄生性的(姑且如此说),升物无法阻止它的复制和积累(Orgel andCrick,198O)。虽然存在着有利于这种假说的正确论据,然而它对达尔文主义者来说却是直觉地不合口味,因为自然选择肯定会产生防御机制来对付这种浪费型的寄生现象。考虑到目前对基因调节的运行机制知之甚少,一笔勾销内含子在遗传上是惰性的还未免为时过早。我们现在所知道的只是在转择前将基因的某些节段(外显子)彼此分隔开可能十分重要。现在确有证据表明内含子协助调节基因的拚结(splicing)

同样令人不解的是亲缘相近的物种或属在它们的重复DNA和基因组的其他成分上彼此相差悬殊而在形态上并没有多少可见的变化,有时甚至还不丧失杂交的能力。这对进化潜力可能会产生怎样的影响仍然完全不清楚。自从Mirsky与RIS(1951)的开拓性研究之后,已经知道不同类型的升物在其细胞(细胞核)中含有不同数量的DNA。含量最少的是原核升物与真菌,含量最多的是有尾动物、肺鱼和某些植物。也已经知道有某些规律性(几乎所有的规律性都有例外),例如一年生植物的DNA含量一般比有关的多年生植物或树木少。生长速度慢(发言时间长)的物种DNA含量比它们的相关物种多。不同分类单位DNA含量的巨大差异似乎支持过剩的DNA大都没有很高的选择价值的观点。但是只要我们对真核升物的基因控制的知识还是像现在这样肤浅,则进一步的进化推论都还为时过早

自从拉马克以后进化主义者都已熟悉“镶嵌进化”(mosaic evolution)原理,它指的是表现型的不同组成部分可能按极不相同的速度进化。现在已发现这类进化速度的不一致性对分子进化也是适用的。例如Wilson等(1974)认为哺乳类和无尾动物(如蛙)的酶基因按大致相同的速度进化,而哺乳类的控制形态进化的调节基因的变化比娃的要快得多。在南美的拟态蝴蝶中控制色泽图案的基因显示非常明显的地理变异而几乎没有个体变异,而这些物种的酶基因却表现很强的个体变异,但几乎没有地理变异(Turner,Johnson and Eames,1979)。研究者近来还发现酶基因和其他蛋白质基困之间在变异性上也有很大的差别。最后,控制物种形成的基因的变化似乎与酶基因无关。这是进化升物化学的一个新领域,我预料在不久的将来必然会产生重大成果。这一点已经很明显:不同类别的基因似乎是应付不同的选择压力并遵行其本身的进化途径。研究某一类别基因(例如酶基因)的结果不能被普遍化来运用于一切类别的基因。这似乎对选择压力的反应,对变异性(杂合性程度),对分子钟都适用。不同升物的染色体变化也具有极不相同的进化速度。核型(染色体组型)似乎在某些类别的升物中非常稳定,而在其他类别(如某些哺乳类)则变化极其迅速

每一组基因在进化中可能具有不同作用。酶基因的差异显然是按相当正常的速度逐渐积累因而是分子钟的理想尺度标准。物种形成似乎大都与酶基因无关。为什么有不同类别的基因可能是由于它们的功能不同,但是我们对这些功能的了解还极其有限

切特维尼可夫的遗传背景概念开始取得新的意义。目前已认识到研究基因的作用必须辅之以基因相互作用的研究。Lerner的《遗传环境稳定》(Genetic Homeostasis,1954)一书对遗传型的功能进行了开拓性讨论,书中引述了基因相互作用重要意义的大量证据。杜布赞斯基对“合成致死”(synthetic lethals)的研究强化了这一观点,他指出某些基因或染色体形成某种组合时能导致较高的适合度,与其他的染色体结合时就能致死。这无异是对基因具有固定不变的适合值的观点一次沉重打击,虽然这些发现由于缺乏对这样的相对性的原因进行分析,还只能是一个研究新领域的开端。(Mayr,1963,第十章;另见Mayr,1974;Carson,1977)

分子进化的研究揭示了惊人的事实,即高等升物的大多数高分子可以远远追溯到原生升物,然而原生升物却可能只有高等升物的核酸含量的一小部分(万分之一),这其它的所有基因是从什么地方来的?

首先考虑这个问题的遗传学家显然是摩根研究组的成员(Metz,1916;Bridgs,1918)。由Sturtevant,Briges,穆勒所开展的复杂而又精细的研究指陈当染色体的一个片段插入到现存的染色体中就产生新基因。这既可以由不相等交换实现,也可以由重大的染色体突变(尤其是易位)完成。果蝇唾液腺染色体分析提供了很好机会来证实完全由遗传证据推论的重复现象。在另外的情况下整个染色体可以加到染色体组上(由于不分离)或者染色体组作为一个整体可能重复(通过多倍性过程)。早期遗传学家对基因重复的研究近年来已大大发展(例如,Ohno,1970)。小规模重复的进化优点是它们对染色体组正常功能活动的干扰较之有时重大的易位或加入整个染色体(如唐氏先天愚笨症,Down’s syndrome)或染色体组所产生的影响小得多。因此,小规模重复比较容易掺入基因库,重复后的基因可只显示新功能统通过趋异突变和它们的姊妹基因更加不同。曾经有人怀疑过这样的重复是不是能产生完全新的蛋白质,但是进化历史已经弄清楚的高分子还太少,还不能作出包罗无遗的结论。然而很有可能(但不一定)最重要的一些类型的高分子在生命史的极早阶段就已出现

生命起源

达尔文在1859年提出共同祖先学说时,他意识到最初必定有“最初生命”,他用多少是圣经的辞句来表达这一点:生命“最初是注入到少数形体或一个形体之中”(《物种起源》:490)。这是一个非常大胆的说法,因为无数种升物之间的差异是如此悬殊绝不能只有一种起码。即使研究种系发生的学者成功地追溯动植物祖先到藻类和鞭毛虫类之后,原核升物(细菌等)与真核升物(高等升物)具有同一起源看来也是完全不可能的。然而现在通过分子升物学研究这一点已被证明是肯定无疑的。不仅一切生命形体的化学组成普遍相似,尤其是遗传密码也完全相同(包括原核升物),这就确凿无疑地表明现在存在于地球上的生命只起源过一次。关于真核升物的起源现在已经有了正确的学说(Margulis,1981)。目前生活在地球上的一切升物毫无疑问都是从单一的祖种繁衍而来。如果生命有好几个独立的来源,则在竞争之中所有其他的都已被现在支配着世界的那一种压倒或消灭

海云青飞:地球上一切生升物的化学组成普遍相似,遗传密码也完全相同,这有二个可能原因:其一是升物只起源过一次;其二是宇宙是个整体,那么即使地球有多次起源,升物的形式也是相似的,类似的例子是,你学会了做小笼包子,今年明,明年做,这里做,那里做,做出的包子总是相似的

生命由无生命物质起源可能是通过自然发生。碰巧的是,恰好在达尔文提出共同祖先学说时自然发生学说由于巴斯德和其他学者通过实验否定了这种可能性而遭到猛烈抨击(Farlery,1974)。这使得进化主义者处于进退维谷的境地,达尔文也只得听天由命地说道:“在这个时候提起生命起源简直是荒唐可笑,要是这样也就可以考虑物质起源。”然而他毕竟是一个生性好思索的人,1871年他又在沉思:“人们常说初次产生升物的一切条件现在都具备,过去也会是如此。然而如果(好家伙!这是多么伟大的如果!)我们能够想出某一个温和的小池塘,并有氨、磷酸盐、光、热、电等所有的东西,并想像形成了某种蛋白质似的化合物,准备经历更复杂的变化;在现在情况下这样的物质将会立刻被吞食或吸收,这种情形在升物形成之前是不会发生的”(L.L.D,III:18)

为什么生命起源这个问题在1859年以后几十年很难研究的原因是因为这整个问题必须重新作有系统的阐述:

  • 人们往往从模式思想出发去考虑活的物种突然从无生命物质产生,把地球看成是好像它的大气及其它环境条件在各个地质时代都保持固定不变。这些假定都必须彻底修正。植物学家许耐登(1863)显然首先提到生命起源,“第一个细胞”在年轻地球的完全不同的大气条件下是可能形成的。这一点现在已完全得到证实。现在认为年轻的地球具有还原性大气层,主要由水蒸气,甲烷和氨组成。自由态氧(能氧化其它物质从而破坏任何可能生命的前体)在地球上生命起源时(大约在35—38亿年以前)实际是不存在的。氧是在大约19亿年以前由那时进化形成的光合升物产生才开始积聚的

  • 第二项修正涉及生命。在这个问题上生命突然起源的本质论概念必须代之以渐进观点的进化概念。我们现在认识到生命起源和人类起源一样都是渐进的。正如现代人(Homo sapiens)是通过一系列中间近似人类的动物与低等灵长类相联系,生命也有一系列前体。在无生命物质和结构完善的升物之间的这些中间分子阶段现在在自然界中已不存在。它们在氧化性大气层中和赖有机分子为生的形形色色微升物作用下是无法生存的。在还原性大气层中,在紫外线辐射和雷电作用下的确可以产生诸如嘧啶、嘌呤、氨基酸等有机化合物作为生命的建筑材料。在Urey的建议和指导下,这已由Miller通过实验证实。霍尔丹(1929)和奥巴林(1924)在此之前已提出过设想方案来解释无生命物质怎样过渡成为有生命的。 FOX等(1979)为解决这个问题也作出过富有想像力的贡献。出人意外的是,分子升物学的发现不仅没有使解释工作简单化反而使之变得更加复杂。即使在最简单的升物中,多肽链(蛋白质)也是在遗传程序(核酸)的指导下由氨基酸组装而成的。实际上在核酸与蛋白质之间存在着非常圆满的“共生”关系,简直无法设想缺少了一方,另一方将怎样发挥作用。如果没有核酸,第一个原始的蛋白质是怎样装配和复制的?如果核酸除了控制蛋白质装配而外没有其它功能,它们又是怎样从原始的“有机汤汁”(organic soup)中起源并保存下来的?(关于这个问题的进一步介绍见第十九章)

生命起源问题,即把从简单分子到第一个显示作用的升物之间的每个步骤设想出来并加以证明,是研究分子进化的学者所面临的最严重的挑战。充分认识了生命起源是几乎不可能的才使人认清这一事态是极其罕见的。这就是为什么有那样多的升物学家认为生命起源是独一无二的事态的原因。这一罕见现象能够发生好几次的机会(机率)非常之少,尽管宇宙中有几百万个行星

海云青飞:有时候人类非常的固执,地球早期完全靠偶然的机率诞生第一个升物的可能性是非常小的,升物的进化原理不仅是共同祖先和自然选择,还包括物质界向升物界的主动进化,没有物质的主动进化,地球不可能诞生升物

上面对分子升物学晚近进展的简单介绍揭示了分子升物学研究和进化升物学研究之间的密切关系。分子升物学家对进化的浓厚兴趣表现在创刊了分子进化杂志并出版了一系列新近召开的专题讨论会的论文集与评论性著作(例如,Ayala,1976)。正像进化论者所说分子进化的研究已成为进化升物学的一个重要分支

常常有这样一种说法,在达尔文的进化学说之外现在还有进化的“分子学说”。这种说法的正确性值得怀疑。有两种更重要的发生在分子水平的进化现象,硬式遗传(从魏斯曼1883年开始鼓吹到摩根学派)和突变(德弗里,1901;摩根,1910a),至少在原则上早在分子遗传学兴起之前几十年已被人们接受。目前还不能确定分子遗传学的某些新近发现(重复DNA,基因拼结,游走基因)究竟会不会要求对综合进化学说作一番修正。新发现很可能只是扩大了自然选择发挥作用所要求的遗传变异的幅度以及对自然选择作用施加某种控制或约束

我采用分子升物学作为例子来说明进化升物学与升物学其他分支之间日益增强的密切关系。进化升物学和很多其他升物学科之间也同样显示了积极的相互作用。目前看来进化问题已在生态学领域中占据了支配地位,在行为升物学中也非常重要;这从生态学和动物行为学的新近教科书就可以看出

虽然进化综合并没有解决进化升物学中的所有问题,但它至少已建立了联合战线。翻一翻近期的有关进化问题的文献就能发现关于某些特殊进化问题的意见分歧仍然存在。然而相反的意见并不是针对综合学说的任何基本论点;而只是对某些进化途径有不同的看法

我在下面试图就进化升物学的三个主要方面的某些未解决的问题加以介绍来阐明这些分歧的实质;这三个主要方面是:

  • 自然选择学说
  • 物种形成问题
  • 在物种层次以上的进化过程(宏观进化)

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