一个持续100多年的谜题告破：生命为何能持续演化？
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100多年前，遗传学家发现了生殖细胞中存在染色体重组的现象。这像是一种缓慢但平稳的演化方式，通过每一代生物，让基因组变得更具多样性。但就算是一个碱基出现异常，也可能会导致疾病。直至近期，科学家才弄清楚生物是如何精确控制这个过程的。
撰文 | 石云雷
审校 | 吴非
有性生殖的优势
20世纪最有影响的遗传学家之一、诺贝尔奖获得者赫尔曼·约瑟夫·马勒（Hermann Joseph Muller）曾提出过一个理论，名为马勒的齿轮（Muller's ratchet）。作为一个利用X射线研究基因突变的科学家，他表示有性生殖相比于无性生殖有一个很大的优点：有性生殖的生物在产生配子时，会经历一个减数分裂的过程，这个过程能帮助生物修复严重的DNA损伤。
赫尔曼·约瑟夫·马勒（图片来源：诺贝尔奖官网）
在这个过程中，染色体会先复制一次，随后细胞会分裂两次，也就是一个母细胞最后会产生4个子细胞。在第一次分裂时，母细胞中来自两个亲本的染色体会相互配对，它们互为同源染色体。如果一条染色体存在双链都受损的情况，染色体之间可以通过交换、重组来修复损伤。而在无性生殖的生物中，由于无法进行重组，由DNA损伤等情况导致的基因突变会不断累积，最终导致生物死亡。（当然后期的研究证实，一些采取无性生殖的生物如细菌，也能通过其他的方式来有效修复DNA损伤，因此马勒的这一观点可能并不正确。）
减数分裂时，同源染色体之间会发生重组。（图片来源：维基百科）
马勒提出这个观点，与其师从的基因学说建立者托马斯·亨特·摩尔根（Thomas Hunt Morgan）利用果蝇开展的遗传学研究有关。在1916年，他还注意到在果蝇体内，具有相似的基因组成、能相互配对的染色体之间进行片段交换，并不只是为了修复受损的基因，还能进行基因重组，使得各个子代的基因组成并不相同。但是，科学界一直并不完全完全清楚基因重组产生的具体机制。
每一代都在演化
基因突变、基因重组都能促使物种演化。对细菌和病毒等来说，它们繁殖能力强，在面对外界压力时，可以通过快速的基因突变来演化。经过外界压力的筛选，一个种群可能只遗留下少数突变株，但由于其高效的繁殖能力，这些突变株又迅速形成一个新种群。
多细胞生物体内也存在基因突变，但对它们来说，通过突变来演化并不是一条十分合理、具有效率的途径。例如，人体内会通过各种方式来修复基因的突变和损伤，已有的研究发现，很多基因突变都和各种发育缺陷、癌症等多种疾病相关。对于有性生殖的生物来说，通过基因重组来扩大后代的基因多样性，虽然缓慢，但是一种稳定且有效的方式。在这个过程中，一个常见的疑问是，为什么两个同源染色体之间能精准地交换同等大小的片段呢？
可以想象，如果交换的基因片段不相等，就会导致一场灾难。一个比较常见的例子，就是染色体易位（非同源染色体的片段重新排列组合，交换后会使染色体的长度发生改变），这个过程可能导致胎儿的染色体丢失，甚至导致流产等多种异常情况。由于参与有性生殖过程的基因在生物体内就有保守性，一些科学家尝试通过研究一些较为简单的生物，来解答这个问题，以推进对多种生物的演化、发育的认识。而这次给出这个答案的，就是一种采取有性生殖的植物。
一种特别的植物
拟南芥（Arabidopsis thaliana）是一种体型十分娇小的植物，其基因组较小，只有5对染色体，是一种典型的自交植物（采取有性生殖）。和它的“前辈”——孟德尔用于发现遗传学规律的豌豆一样——这种植物注定要改变人们对植物生物学和遗传学的认识。
拟南芥的生长过程（图片来源：https://elifesciences.org/articles/06100）
2012年，法国让-皮埃尔·布尔然（Jean-Pierre Bourgin）研究所的科学家在此前研究的基础上，发现了一种新的蛋白HEI10（一种泛素连接酶），它属于一类被称为ZMM的蛋白。后者在减数分裂中主要负责调控同源染色体上的基因片段交换。此前的研究已经发现这类蛋白中的多种蛋白各有分工：一些蛋白负责将两条染色体拉近，维持稳定的结构，另一些促进DNA的重组。
有一种猜想认为，HEI10蛋白的功能会有所不同。它在染色体上的数量，能影响染色体进行重组的次数，或能控制染色体发生重组的位点。近期，在一篇发表于《自然·通讯》的文章中，来自剑桥大学的研究人员为了验证这一猜想，通过超高分辨率的显微镜和数学模型，研究了拟南芥在减数分裂时期，其染色体上HEI10蛋白的行为。
在染色体重组过程中，HEI10蛋白的移动情况，从最开始的数百个小的聚集体，最终只富集在几个位点。（图片来源于论文）
他们发现，在最开始时，HEI10蛋白会把染色体当成一条轨道，在上面随机移动，形成很多小的蛋白聚集体。随着时间流逝，HEI10蛋白移动到同源染色体形成联会复合体的位点。这一结构形成后，染色体之间才会进行交换。HEI10蛋白移动到这个位置会被固定住，随后，越来越多的HEI10蛋白会在同一个地点富集。最终，开始由HEI10蛋白组成的数百个小聚集体，变成了个位数的大聚集体。而在这几个HEI10蛋白最为富集的位点，染色体会发生交叉、重组的现象。
当增加植物体内HEI10蛋白的表达时，细胞内发生染色体重组的位点会增加，而重组位点之间的距离会更近。而将细胞中的HEI10蛋白的数量降低40%时，同源染色体只有一个联会复合体区域会发生基因重组。研究人员认为，细胞的联会复合体区域是染色体进行交换的候选位点，而HEI10蛋白在位点上累积的数量，才会决定基因重组是否发生。
在多种生物中存在
这种基因重组的模式在很多生物体内（包括酵母菌、线虫、果蝇和哺乳动物）都是保守的。此前，在一篇发表于《自然·遗传学》的研究中，霍华德·休斯医学研究所的尼尔·亨特（Neil Hunter）教授等人发现当缺乏HEI10蛋白，小鼠体内染色体重组的前期过程能顺利进行，但最终不会出现染色体重组，也就是说，HEI10蛋白在这一过程的后期具有决定性的作用。
这些生命都来自一个受精卵，而最初的这个细胞中的基因组，也决定了后面组成生物个体的每一个细胞中的基因组组成。无论是基因上碱基突变的修复、表达以及基因重组都需要经过精密的调控，才能使生命得以存在、延续。但是，基因也十分脆弱，很多环境因素不仅能影响亲代的基因、患病情况和寿命，还能通过基因的传递，来影响子代。
也就是说，一些不良的生活环境（空气污染物、紫外线、重金属和压力等）和生活习惯（酗酒、吸烟和食用大量垃圾食品），不仅在影响我们人类自身的健康，可能正在改变我们最底层的基因。随着未来生物技术的发展，一部分的有害影响或许可以被消除。但现今，我们每一个人得以拥有健康的身体，或许还得感谢家族谱系上的亲人，以及体内时刻都在认真工作的各种细胞和分子。
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