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虽然镰状型细胞基因是用来说明疾病被保留下来的经典例子,但它仍然是一种不多见的基因,原因有三。首先,它的分布不广,仅发现于热带非洲。其次,血红蛋白的改变是一种简单的适应。许多别的适应,例如色觉视力和发热的能力,都更加复杂,涉及密切相关的几个系统,因而需要许多基因才能形成;相反,镰状细胞等位基因与正常基因的差别,是只有一个T代替了一个A。这个基因翻译成血红蛋白时,氨基酸也只有末端的缬氨酸代替了谷氨酸,这种分子改变使红细胞体现出异常的形态及性质。最后,有特别强大的选择力针对一个基因位点;很可能在人类群体中,杂合子的优势很普遍,但是对纯合子的负选择很弱,其作用难以检出。
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在疟疾不多见的地区,可以预见,镰状细胞等位基因的频率会下降。实情确实如此,非洲裔美国人已在没有疟疾的地区生活了十代之久,在他们中间该基因的频率比非洲人的频率更低。看来,自然选择已经使镰状细胞基因频率在疟疾不多的地区下降,这是可以根据演化理论推断出来的。
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其他遗传性血液异常也有防御疟疾的作用,最具戏剧性的有葡萄糖6—磷酸脱氢酶(G6PD)缺乏症。有这种异常基因的人接触氧化剂如奎宁时,会发生溶血,病得很重。而奎宁又是最原始的、现在仍然有效的抗疟药。当疟原虫在红细胞中生长并消耗氧气时,缺乏G6PD的红细胞就会破裂,从而抑制了疟原虫的繁殖。在这种情况下,某些疟原虫演化出了自己合成G 6 PD的能力,这是宿主与病原体之间“军备竞赛”的又一个例子。
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4%的北欧人带有一个引起囊性纤维化的隐性基因,70%的携带者只有单个突变等位基因(△F508),人类基因组计划的负责人弗朗西斯·柯林斯(Francis Collins)说,这“提示可能有某种杂合子选择,或者这个突变基因在北欧人中有很强的奠基者效应”。具体是什么好处维持了囊性纤维化基因的频率?现在仍然不清楚,有资料提示可能是它降低了腹泻所致的死亡率。
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戴萨克什病(Tay-Sachs disease)中所有的纯合子都在生殖年龄以前死亡,但该基因在阿什肯纳茨(Ashkenazic)犹太人中出现的频率仍然有3%~11%。维持这样高的频率,意味着杂合子比正常纯合子的生殖优势要高6%。根据有关感染率和人群分布的资料,它对杂合子的益处可能是预防结核病,这在犹太人的历史上曾经是一个重要的选择力量。X染色体易裂症(fragile X syndrome)也是一种常见的遗传病,每两千名男性婴儿中有一个智力发育停顿。有充分的证据表明,女性杂合子的生殖成功率更高。
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加利福尼亚大学的生理学家杰瑞·戴蒙德(Jared Diamond)最近提出了另一种机制,也可以解释为何某些致病基因的频率比预期更高。他指出,多达8/10的妊娠因早期或晚期流产而失败。其中绝大多数未被发觉,因为这些都发生在胚胎着床之前或者刚刚着床之后。只要一个基因可以略微降低流产率,它就会被选择留下,即便它增加了某种疾病日后发病的机会。戴蒙德举出儿童期发病的I型糖尿病为例,这是DR3基因引起的一种遗传病。如果双亲之一为携带异常基因的杂合子,另一个为正常基因的纯合子,理论上子代带有DR3基因的频率应该是50%,然而实际的观察数据却是66%。怎么会这样?可能原因是,DR3基因在胎儿期能够大大减少流产率,从而自己保存下来,虽然它后来会引起糖尿病。
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苯丙酮尿症是另外一个依靠母亲内的子宫选择得以维持的基因疾病。其纯合子不能处理正常食物中所含有的常量苯丙氨酸,表现为智力发育停滞。对于这类群体,只要注意保证食物里不含苯丙氨酸,就可以预防智力发育障碍。这个例子很好地说明了,即使是完全遗传的疾病也是完全可以通过控制后天环境加以防止的。苯丙酮尿症比较常见,1%的人带有该基因,所以许多国家地区要求在出生时进行普查。为什么这样多见?同糖尿病基因一样,这个苯丙酮尿基因似乎也是通过降低胎儿流产率而保存自己的,尽管它会引起疾病。
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我们为什么会生病 “法外基因”(outlaw genes)
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牛津的生物学家道金斯把生物体看作是基因复制出更多基因使用的“载体”。许多基因的合作形成细胞、器官和个体,只是因为这是复制出更多拷贝的最佳途径。身体的细胞像是作坊,各有专门的功能,必须互相合作才能生存、繁殖。只有为了整个机体各尽其责,基因才有可能进入下一代,除此之外,别无他途。果真是这样吗?考虑到这里的巨大收益,任何可能使一个基因传到下一代的“投机”策略都会被派上用场,哪怕这种做法可能会降低这个后代的生存能力。这种情形真会发生吗?
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确实有某些基因会更“拼命”地进入精子或卵细胞,即使这会对它们的携带者产生不利的影响。这样的例子不少,我们最熟悉的是小鼠的T位点基因。雄性如果有两个异常的等位基因,后果不堪设想。但是,对于只有一个异常拷贝的雄性来说,该基因传到后代的概率大于90%,而不是50%。这个例子很好地说明了“法外基因”的活动,它只对基因本身有利,对个体和物种都有害。我们之所以能够发现它,是因为它酿成了严重的后果,而且我们可以在小鼠中进行对照实验。人类是否也有这种法外基因呢?它们为了更“拼命”地进入生殖细胞,是否也造成了我们后代的生存缺陷呢?
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多囊性卵巢综合征可能正是这样一个例子。这种疾病,在不孕门诊的病人中占了21%,其特征包括月经不规则、肥胖、肌肉发达。最近的一项研究发现,女性病人80.5%的姐妹也患有该病,这个比例之大难以用常染色体显性或X连锁基因来解释。澳大利亚阿德莱德的研究者威廉姆斯·哈格(Williams Hague)及其同事考虑到,这种情形的可能原因是卵细胞中细胞质DNA的传递,或者该基因扭曲了减数分裂的过程,增加了它们进入卵细胞的机会,后者也叫作减数分裂驱动(meiotic drive)。
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我们为什么会生病 遗传性脱轨(Genetic quirks):近视及其他
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上述遗传病是由一个基因的作用引起的,但是,还有许多遗传病是由许多基因的复杂综合作用导致的。现在,关于心脏病、乳腺癌、药物滥用的遗传因素的报道屡见不鲜。在大多数多基因遗传病中,我们不知道有多少基因在起作用,也不知道它们位于哪些染色体上面。我们只知道,如果近亲中有人患这种病,那么其他人患病的风险便有所提高。这种解释之所以具有说服力,是因为那些被收养的儿童后来更类似于血缘家族成员,而不是后来抚养他们的家庭,这意味着,疾病上的相似性并非环境因素所致。
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冠心病就是一个很好的例子。心脏病猝发与否在相当程度上受基因控制。如果父亲曾经在55岁之前因心脏病猝发而死去,那么子女猝发心脏病而早逝的危险要比别人高出5倍。同卵孪生子有相同的基因,两人猝发心脏病的概率比异卵孪生子之间更加接近。这是否表明心脏病猝发是因为某种基因缺陷所致?在某些情况下的确如此。科学家已经发现了好几种胆固醇代谢异常,而且已经针对其中一种展开了基因工程治疗(把新的基因引入血管壁的细胞中)。不过,我们还知道,心脏病也是高脂肪食物的恶果。习惯了美国高脂饮食的日裔移民,他们心脏病猝发的概率要比日本亲属高1倍。心脏病引起的早逝率已经如此之高,自然选择已经开始稳定地清除相关的基因。人们常常问道,心脏病有多大比例可以归因于遗传,多大比例归因于环境,但是这个问题的提法本身就有问题。为了说明为什么,让我们先回到近视之谜来。
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那位教授说的不错,近视是一种遗传病。如果一个同卵孪生子是近视,那么另一个肯定也近视。我们也争辩过,这样一种有害的基因会延续下来。然而,接近1/4的美国人近视,其中一些人近视得厉害,难以在狩猎社会生存。他们恐怕来不及躲避猛兽的袭击,也无法参与战斗,或者认出50米外的一张面孔。想一想在《蝇王》(Lord of the Flies)一书中可怜的皮格是如何逃难的吧,他没有了眼镜,在“近视的发光的墙壁后面”被捉住了。有着这样的劣势,现代社会里近视的发病率应当很低才对,可是它为什么在现代化的人群中还这么多见呢?
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当我们仔细考察狩猎采集社会向工业化社会转变的过程时,我们可以判断出近视并非由一个新的突变基因引起的。北极地区的原住民最初接触欧洲人时是很少有近视的,一旦他们的儿童开始上学,25%的人很快变成近视。似乎是读书识字和在教室里久坐使相当一部分儿童的视力受到永久的伤害。为什么会这样呢?
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请设想一下,眼睛要生长得准确是何其之难。角膜和晶体必须调整屈光度,使影像准确地落在视网膜上,即使在儿童的发育过程中眼球不断生长的时候也要保持这一点。眼球怎样保证长度的精确呢?要知道,可允许的误差是眼球长度的1%,这大约等于指甲的厚度。有没有可能把角膜、晶体、眼球的生长程序都事先规划好,让成像的聚焦保持准确?不大可能。然而,即使是在眼球的生长过程中,眼睛仍然可以保证聚焦成像。它是如何做到的?
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世界各地的科学家设计了一系列实验来阐明近视发生的机制。首先,他们注意到,成像模糊的眼球总是比成像清晰的眼球略长一些,不论这种模糊是因为某种遗传病、创伤,或是因为戴了雾镜。鸡、兔、某些猴、还有其他动物包括人,都是这样的。随后,他们又切断了将眼睛的信息送到大脑的神经,发现某些动物的眼球停止了过度生长。他们开始推测,当模糊的影像落在视网膜上,大脑会反馈一个信息,即某种生长因子,从而促进了眼球生长。更关键的证据是:当局部成像模糊时,只有该局部生长。这种不对称生长就导致了散光。
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这一机制既精细又重要。为了确保眼球各个部分的协调发育,大脑需要处理来自视网膜的信号,检测到模糊不清的影像,对于成像模糊的位点及时反馈一个信号促进其生长;当生长补偿足够时,刺激停止,生长也就停止——但是有些人例外。我们中间有四分之一的人,在读书或者其他近距离工作的时候,眼球继续生长。也许是因为印刷字符不很清晰,或者是因为读书时的聚焦平面比远处目标的物平面要近。我们猜想,把孩子们的书用特大号的清晰字符印刷在很大的书页上可以防止近视。
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近视是一个典型的例子,可以说明某些疾病的发生既有很强的遗传因素,又有很强的环境因素。近视的人,往往同时具备近视的遗传基因型,以及近距离阅读或者工作的后天经历。许多疾病都是复杂的遗传—环境相互作用的结果。例如,有些人十分喜欢吃肥肉,却没有心脏疾病;另一些人吃了不多的肥肉却在40岁前因心脏病死去。类似的,有些人经历了许多挫折却从不陷入抑郁;另一些人,失去爱犬就可能陷入严重的抑郁。不要忘了苯丙酮尿症的例子,它也涉及基因—环境相互作用。对于这类疾病,“多大部分原因是遗传,多大部分原因是环境?”这样的问法本身就出了问题。它们既完全是遗传的,又完全是环境的。
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像近视和动脉硬化这类情况能够归咎于缺陷的基因吗?在我们当前的环境条件下,引起这些问题的基因肯定不能算是好基因,但是在石器时代的环境中,它们基本上也不引起麻烦,甚至还有切实的益处。也许狩猎部落里有携带近视基因的人,在儿童期视力更好些。渴求高脂食物,可能完全是对缺乏高脂食物的一种适应。因为这些理由,我们不认为这些基因是缺陷,而是脱轨(quirk)。如果不是因为新的环境,它们并没有坏的作用。阅读困难可能是另外一个例子,对狩猎部落而言,阅读困难不是什么问题。
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