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基因组：生命之书23章 12号染色体 自组装
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鸡蛋注定就得孵化出小鸡。
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——《炼金术士》（本·琼森）
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对于自然界中几乎所有的事物，我们都可以找到东西来进行类比。比如说蝙蝠使用的是声呐；心脏就像一个泵；眼睛如同照相机。再比如，自然选择过程可以比作做实验反复试错的过程；基因可以比作食谱。还有，大脑的轴突和突触像电线和开关；内分泌系统的反馈装置像炼油厂；免疫系统就像一个反间谍机构；身体发育就像经济增长，等等。尽管这些类比中有一部分可能具有一定误导性，但是通过这些类比，我们至少熟悉了大自然母亲用来解决各种问题并实现其巧妙设计所用的各种方法和技术。而我们人类，也实实在在地将这些方法和技术应用在了我们的现代生活中。
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但是现在，我们必须要脱离这些熟悉的类比，进入复杂的未知领域。自然界中最值得注意、最迷人、也是最匪夷所思，而且根本没有事物可以与它类比的是：从未分化的一团名为受精卵的东西发育成一个人类个体。但是这个过程大自然母亲却完成得毫不费力。试想一下，如果让我们去设计一个硬件（或者软件），并使之能够完成类似这样的壮举，那将会是非常吃力的一件事情。美国国防部可能试过：“早上好，曼德拉克（Mandrake），我需要你用粗钢和炸药做出一个可以不断自造的炸弹。预算没有限制，且有1000个最聪明的人在新墨西哥州的实验室供你差遣。我希望8月份能够看到雏形。兔子一个月可以繁衍10次，所以这档事不会有什么难度。对此有任何疑问吗？”
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如果没有上述类比帮助我们进行理解，我们很难明白大自然母亲的伟大之处。在受精卵的生长发育过程中，一定是冥冥之中有很多精细的环节在按照一个周密的计划有条不紊地实施。除非有神的干预，否则这些详尽计划的实施者必然是在受精卵内部，不然受精卵是怎样完成的一个从无到有的复杂模式呢？难怪，在过去的几个世纪里人们对于预成论（17世纪出现的一种胚胎发育的学说，认为生物从预先存在于细胞，即精子或卵子中的雏形发展而成）。有一种天然的偏爱，这个理论的拥护者认为自己在人类的精子里看到了一个小矮人。就连亚里士多德都看出来了，预成论只不过是把问题往后拖了拖。毕竟，精子中的小矮人又是怎样形成的呢？随后的一些理论也并没有好到哪儿去，尽管我们的老朋友威廉·贝特森的想法十分贴近正确答案，令人出乎意料：他推测所有的生物都是由一系列有序的部件或片段组成，并为此发明了一个新词“同源异形”。此外，在20世纪70年代，人们还流行利用复杂的数学几何理论来解释胚胎学，比如驻波以及其他类似的深奥理论。令数学家们感到遗憾的是，大自然的答案一如既往的浅显易懂，尽管细节是极其复杂的。胚胎的发生、发育离不开基因，基因确实以一种类似数字的形式包含了受精卵中发生的详尽计划。在12号染色体的中段位置有一大段与发育相关的基因，这些基因的发现以及对这些基因怎样发挥作用的解释可能是自DNA密码被破解之后现代遗传学的最大成就。而这个发现的关键，却是两个惊人而又幸运的美丽意外。[1]
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在受精卵发育成胚胎的过程中，最初它是一团未分化的细胞，然后逐渐发展出两种不对称：一个头尾轴，一个前后轴。在果蝇和蟾蜍中，这些轴是由母亲建立的，其母亲的细胞会指示胚胎的一端发育成头部，另一部分发育成背部。但是在小鼠和人类中，这种不对称出现得较晚，没有人知道到底是怎么发生的。受精卵着床到子宫的那一刻似乎是非常紧要的一个环节。
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对于果蝇和蟾蜍，这种不对称很容易理解：它们由不同母源基因所编码的不同化学产物梯度所构成。在哺乳动物中，几乎可以肯定的是这种不对称性本质上就是化学反应的产物。每个细胞都会得到其自身内部的一个指令，然后将指令信息反馈到它的“便携式GPS系统”，GPS系统把指令阅读出来：“你在身体的后半部分，靠近腹部”。通过这个过程细胞就知道自己的位置了。
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但是，知道位置只是一个开始。到达所在位置后接下来要做什么，这可是一个完全不同的问题，控制“接下来要做什么”的基因被称为“同源异形”基因。我们把同源异形基因比作一本说明书，当细胞发现自己已经到达目的地，它就会在说明书中去寻找这个位置对应的指令：“长出翅膀”，或是“开始变成肾脏细胞”等，最后按照指令完成操作。当然，实际情况并非这种字面上的意思，没有GPS系统，也没有说明书，胚胎发育过程其实是一系列自动化的基因依次激活的步骤。说明书是一个很便于我们理解的比喻，但是仍有一点令人费解：胚胎发育是一个完全去中心化的过程（这也正是其伟大之处）。因为身体里的每个细胞都携带了一套完整的基因组，没有细胞需要等待控制中心的指令。每个细胞都可以根据自己的指令以及从邻近细胞那里接收到的信号完成相应活动。这个过程类似于社会管理，但是我们没有以细胞的这种方式来管理社会。我们现在是尽可能地把对事情的决定集中到一起，交由政府来做出决策。或许，我们应该试试细胞的这种管理方式。[2]
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自21世纪初以来，果蝇一直是深受遗传学家喜欢的一个模式生物，因为在实验室里它们可以简单快速地进行繁殖。我们必须感谢这些看起来不起眼的果蝇，因为它帮助我们阐明了很多遗传学的基本原理，比如基因在染色体上是连锁排列的、马勒发现X射线可以诱导基因变异等。科学家们发现果蝇发生基因变异后会出现异常的生长发育，例如在本该有触角的地方长出了腿，或者在本该有平衡棒的地方长出了翅膀等。换言之，身体的某个部位做了另一个部位应该做的事情。这就是同源异形基因出了问题。
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20世纪70年代末，两位德国科学家贾尼·纽斯林-沃尔哈德（Jani Nusslein-Volhard）和埃里克·威绍斯（Eric Wieschaus）开始去寻找并记录尽可能多的这种变异果蝇。他们饲养了数以千计的果蝇，并给它们服用能引起变异的化学物质，然后挑选出所有四肢、翅膀或其他部位长错位置的果蝇。渐渐地，他们总结出了一些规律：有一些“裂隙”（gap）基因影响比较大，定义的是果蝇身体的全部区域；“成对规则”（pairrule）基因则对上述区域进行细分，定义一些更精细的节段；“体节极性”（segment-polarity）基因则通过影响节段的头尾进一步细分了这些细节。换句话说，发育基因似乎是分层次发挥作用的，它们将胚胎分成越来越小的节段，进而定义每个细节。[3]
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这是一个很大的意外。在此之前，人们一直认为身体各部分的发育是根据其相邻部位的信号来决定的，而不是根据某个宏大的遗传计划。上述对果蝇基因变异的研究促成了两个令人难以置信的惊喜发现，它们共同构成了20世纪最伟大的知识进步。第一个惊喜发现是，科学家们在同一条染色体上发现了由8个同源异形基因组成的基因簇，即Hox基因。这一点没什么奇怪的。真正奇怪的是，8个基因分别影响了果蝇的不同部位，而且基因排列顺序与它们所影响的身体部位的排列顺序是一致的：第一个基因影响口腔，第二个影响面部，第三个影响头顶，第四个影响颈部，第五个影响胸部，第六个影响腹部前端，第七个影响腹部后端，第八个影响腹部其他部位。它不仅仅是第一个基因决定了果蝇的头部，最后一个基因决定了果蝇的尾部，而且是所有基因毫无例外地全部按照顺序依次排列在了染色体上。
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要理解这个发现是多么的不可思议，你必须知道通常情况下基因的排序是多么的随机。在这本书中，我以某种逻辑顺序讲述了基因组的故事，每一章都挑选了符合我需要的基因。但是，我这样做其实是有一点误导了你，因为基因的排列其实没有规律可循。有时候某个基因需要靠近其他特定的基因，但是大自然母亲在按照使用顺序去排列同源异形基因方面，还真是照章办事、一丝不苟的。
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随之而来的是第二个令人难以置信的惊喜：1983年，位于巴塞尔的沃尔特·格林（Walter Gehring）实验室的一群科学家发现这些同源异形基因有一些共性，他们都有一段相同的“文本段落”，即基因内部一段包含180个碱基序列的“同源异形框”。既然它在每个基因中都是一样的，那么它就不可能是决定果蝇在什么位置该长什么器官的基因，因而最开始人们并未重视该发现。就像插头一样，所有电器都有，无法通过插头去区分它是一个面包机还是台灯。把同源异形框比作插头是非常贴切的：插头通过电线连接到电器并控制其开关；同源异形框编码的蛋白序列可以附到DNA链上，进而可以去打开或关闭另一个基因的表达。所有的同源异形基因都是控制其他基因开或关的基因。
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但是同源异形框的发现仍然激发了科学家们继续去寻找其他同源异形基因，他们就像修补匠一样在一堆废旧物品中埋头寻找带插头的任何东西。格林的同事埃迪·德·罗伯蒂斯（Eddie de Robertis）仅凭直觉，就在青蛙的基因中找到了一个看起来像同源异形框的“段落”，后来在小鼠体内也找到了几乎完全一样的包含180个碱基的同源异形框。不仅如此，埃迪还发现，在小鼠身上一共有四组Hox基因簇，而不是一组。并且与果蝇一样，每一簇中的基因都是首尾相连地排列着，头部基因在前，尾部基因在后。
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小鼠和果蝇同源性的发现已经足够奇怪了，这意味着胚胎发育需要基因排列的顺序与身体部位的顺序保持一致。更加奇怪的是，果蝇同源框中的基因都可以在小鼠中找到同样的。果蝇同源基因簇中的第一个基因称为lab，与小鼠中三组同源基因簇各自的第一个基因（分别是a1，b1，和d1）非常相似，其他基因也都是如此。[4]
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当然，区别也是有的：小鼠共有39个同源异形基因，分布于4个基因簇，在每个基因簇的末端还有多达5个额外的Hox基因，这是果蝇所没有的。虽然每个基因簇会缺失不同的基因，但它们的相似性已足够令人感到震惊，以至于首次发现这种现象时，几乎没有胚胎学家肯相信。人们普遍对此持怀疑态度，认为这不过是一些被夸大了的愚蠢巧合。据一位科学家回忆，当他第一次听到这个消息时，认为这是沃尔特·格林的又一个疯狂的想法。但是他很快就发现，格林是认真的。《自然》杂志的主编约翰·马多克斯（John Maddox）称这是“截至目前，今年最重要的发现”。从胚胎学的层面去看，我们人类其实是被美化了的果蝇。人类和小鼠有着完全相同的Hox基因簇，当中的C簇就位于12号染色体。
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上述突破性发现有两个直接的启示，一个是演化层面，一个是实用层面。从演化层面讲，我们与果蝇都是由共同的祖先演化而来，都沿用了5.3亿年前已经形成的胚胎发育方式。而且该祖先的其他生物后代也都遵循着同样的方式，甚至在亲缘关系很远的生物，比如海胆之中，也发现了同样的基因簇。从外观看来，果蝇或海胆与人类很不一样，可以互称为“火星人”，但是它们的胚胎发育过程却是相似的。胚胎发育在遗传学上的保守性让我们都大为震惊。从实用层面讲，我们对果蝇数十年来的研究成果突然之间与人类建立起了联系，在果蝇身上得出的结论有可能适用于人类。直到现在，我们对果蝇基因的了解还是远远超过对人类基因的了解。现在这些知识都可以相互关联起来。上述两个层面的启示就像一束光，照射在了人类基因组上，使之熠熠生辉。
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这些发现不仅存在于同源异形基因中，也存在于其他发育相关基因中。人们一度傲慢地认为，头部是脊椎动物特有的：我们脊椎动物天赋异禀，发明了一整套新的基因用来构建一个包括了大脑的脑袋。现在我们知道了，参与小鼠大脑形成的两对基因，Otx（1和2）以及Emx（1和2），与果蝇头部发育过程中表达的两种基因几乎完全相同。另外，一种果蝇眼睛发育过程中的关键基因——无眼基因（名字听起来有点自相矛盾），也被发现与小鼠体内控制眼睛发育的基因（pax-6）是一样的。果蝇与小鼠的这种相似性，类推到人类身上或许也是适用的。果蝇和人类都是在寒武纪时期一些蠕虫状生物的基础上衍生形成了各自特有的身体结构，它们仍然保留着同样的基因做着同样的事情。当然，果蝇和人类之间也有差异，否则，我们就跟果蝇一样了。但是差异之细微令人惊讶。
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然而例外似乎总是比规则更具说服力。例如，果蝇中有两个基因对其身体背部、腹部的形成过程至关重要。其中一个叫作生物皮肤生长因子（decapentaplegic），是决定背部发育的基因，表达该基因的细胞会发育成背部结构。另外一个叫作短原肠胚形成基因（short gastrulation），决定腹部发育，表达该基因的细胞会发育成腹部结构。蟾蜍、小鼠以及我们每一个人，也都存在两个非常相似的基因。其中一个是BMP4，其序列与生物皮肤生长因子相似；另一个是脊索蛋白（chordin），其序列与短原肠胚形成基因相似。但是令人惊讶的是，这些基因在小鼠和果蝇身上产生的是相反的效果：BMP4决定小鼠腹部结构，脊索蛋白决定背部结构。这意味着，节肢动物和脊椎动物的腹、背是相反的。在远古时代，节肢动物和脊椎动物可能有过共同的祖先，但是随着演化，其中一种后代选择了俯卧行走，另一种选择了仰卧行走。我们可能永远无法获知究竟哪一面朝上才是正确的，但是我们知道确实有一面是正确的，因为在节肢动物和脊椎动物分化之前，就已经出现了腹部基因和背部基因。在此，我们需要稍作停顿，先向一位伟大的法国人，艾蒂安·若夫华·圣希莱尔（Etienne Geoffroy St Hilaire）致敬。他在不同物种中观察了胚胎发育的方式，发现昆虫中枢神经系统位于它的腹部，而人类的位于背部。据此，他在1822年第一次提出了上述猜想。在之后的175年间，他的这个大胆猜想受到了很多讥讽。因为传统理论都是支持另外一个假说，即这两种动物的神经系统是独立演化的。但他的猜想完全正确。[5]
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事实上，基因之间的相似性如此之大，以至于遗传学家现在几乎可以很常规地进行一些令人不可思议的实验：故意诱导果蝇中的某个基因发生突变，从而使其失活，然后用基因工程的方法将其替换成人类中的等效基因，最终培育出正常的果蝇。这种技术被称为“遗传拯救（genetic rescue）”。既然人类的同源异形基因可以拯救果蝇中的等效基因，小鼠中的Otx和Emx这两个基因应该也是可以的。事实上，被替换后的果蝇发育正常，以至于不太能分辨哪些是经人类基因替换过的果蝇。[6]
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这证明本书最开始提到的数字假说是成立的。基因就像一系列软件模块，可以在任何计算机系统上运行：因为它们使用相同的代码，做着同样的工作。即使分离了5.3亿年，人类的“计算机”仍然能够识别果蝇的“软件”，反之亦然。所以计算机是一个非常贴切的类比。5.4亿到5.2亿年前的寒武纪大爆发时期，是生物体自由实验的时期，出现了各种躯体形态，这与20世纪80年代计算机软件设计的大爆发有些相似。可能就是这个时期，有一个物种很幸运地发明了首个同源异形基因，而我们又都从这个物种演化而来。几乎可以肯定的是，这个物种就是一种生活在泥土里的圆扁虫（Roundish Flat Worm，或RFW）。它只是生物体众多形态中的一个，但它却是地球上大多数生物的祖先。它是形态结构最好的那个吗？或者只是最流行的？谁是寒武纪大爆发中的“苹果”，而谁又是“微软”呢？
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让我们从人类12号染色体的同源异形基因中挑选一个仔细地进行分析。同源异形基因C4在果蝇中对应的是dfd基因，dfd基因在果蝇成虫的口器中表达。C4基因的序列与其他染色体上的同源基因A4、B4和D4的序列非常相似。在小鼠体内也能找到与之对应的基因a4、b4、c4和d4。在小鼠胚胎中，这些基因在小鼠颈部表达：颈椎以及当中的脊髓。如果通过突变“敲除”其中1个基因，你会发现老鼠颈部的1到2块椎骨受到了影响。敲除后的影响是非常明确的，它使受影响的椎骨在小鼠颈部的位置比正常位置更为靠前。这4个同源异形基因的存在使每一节颈椎骨都与第一节不同。如果敲除其中2个基因，更多的椎骨会受到影响，如果敲除3个，受影响的颈椎骨会进一步增多。因此，这4个基因似乎有一种累积效应。这些基因按照从头到尾的顺序依次被激活，每个新基因被激活后就会将其负责发育的部分安装到前面已经组装好的身体后部。人类和小鼠的每个同源异形基因都有4份，果蝇只有1份，所以人类和小鼠对身体发育的控制要比果蝇更为精细。
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现在也就清楚了为什么在每个同源异形基因簇中人类有多达13个同源异形基因，而果蝇只有8个。因为脊椎动物肛门后面有尾巴，也就是脊柱会经过肛门继续延伸，而昆虫则没有。小鼠和人类中比果蝇额外多出的同源异形基因，是负责后腰和尾巴发育的。由于我们的祖先在演化成类人猿后尾巴就消失了，所以小鼠中负责尾巴发育的基因在我们体内可能就没有表达了。
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我们现在面临一个关键问题：在目前为止所研究的每个物种中，为什么同源异形基因都是首尾相连的，而且第一个基因总是在头部表达？目前还没有确切的答案，但有一条线索十分有趣，即排列在最前面的基因不仅在空间位置上表达在身体最前面的部位，在时间顺序上也是第一个表达。所有的动物都是从头到尾逐步发育的。因此，同源异形基因遵循时间顺序进行线性表达，很可能是每个同源异形基因激活后，会以某种方式去开启序列中的下一个，或者允许下一个基因被打开和读取。而且，动物的演化历程可能也遵循这样的过程。我们的祖先似乎是通过延长和发展尾部（而不是头部）来生长出更复杂的身体的。所以同源异形基因其实重演了物种演化过程。这正是恩斯特·海克尔（Ernst Haeckel）提出的“胚胎发育重演论”（ontogeny recapitulates phylogeny）。胚胎发育的顺序和生物演化的过程是相符合的。[7]
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