同源异形基因的突变与大进化

在20世纪80年代之前遗传学家普遍认为，大进化的研究主要是依靠古生物学家，遗传学似乎无能为力。可是1980年代后由于分子生物学的进步，情况发生了很大的改观：发现有的基因的突变、进化与生物大进化有着密切关系。

1.寒武纪生物大爆发

寒武纪生物大爆发（Cambrian Big Bang，Cambrian Explosion）在生命发展史上可能是一次空前绝后的大事件。寒武纪是古生代最早的一个纪。在约5.43亿年前到约4.9亿年前，在英国威尔士的寒武山地的地层中发现了化石，因而英国地质学家塞奇威克将此纪命名为寒武纪。在寒武纪之初，在约5.43亿年前（其实是寒武纪与前寒武纪交界之时）到约5.38亿年前，短短约500万年间，在海洋中发生了一次极为壮观的事件——寒武纪生物大爆发。在此时期，如今生存在地球上的各式各样动物的设计图（body plan）突然地一下子就出现了。包括具有壳、齿、触手、爪、颚等结构的动物。各种不同的动物身体蓝图，用分类学专业术语表达的话，即产生了各类“门”（Phylum），如扁形动物门，节肢动物门，脊索动物门等，达38～40门之多。现存的动物门的祖先型在当时几乎都出现了，据说，当时的节肢动物类型比现存的节肢动物还要多，其中很多是在后来灭绝了。

达尔文主张物种的进化是在自然选择的作用下通过渐进而缓慢的方式进行的，小的变异逐渐积累而造成大的变化。寒武纪生物突然大量出现的事实曾使达尔文感到困惑不解。

进入20世纪之后，古生物学家先后在寒武纪早期或稍后时期，发现了保存非常好的化石群。如加拿大的布吉斯页岩化石群（或称布吉斯生物相）（Burgess Shale Fossil Assemblage，Burgess Shale Biota）（C.D.Walcott，1909）（参见D.F.G.Briggs，D.H.Erwin，F.J.Collier: The Fossils of Burgess Shale）和我国学者在云南澄江帽天山页岩发现的澄江化石群（或称澄江生物相）（侯先光等，1984）（参见中国科学院编著的《创新者的报告》、《科学之美：化石的诉说》）。在格陵兰北部也发现保存状态非常好的寒武纪生物大爆发时的化石群。而我国的澄江化石群存在于5.3亿年前，在寒武纪生物大爆发后不久出现，比布吉斯生物相还早1 000万年。学术界公认这是解开寒武纪生物大爆发之谜的“最好线索”。寒武纪为什么会出现生物大爆发？传统的见解是由于环境条件的改变。如当时（5.4亿年前）的大气中二氧化碳减少，氧气达到了10%的水平，到4亿年前氧气达到与现在一样的21%水平；根据全球冰结（snow ball earth也称全地球雪球）的理论，在前寒武纪末期（8亿年～6亿年前）冰球消融（由于火山爆发），气候温暖化，于是出现了埃地阿卡拉化石群（Ediacalan Fossil Assemblage），接着出现寒武纪初期的生物大爆发。埃地阿卡拉化石群具有特殊的系统结构，在生物进化史中是一个饶有兴趣的大事件。关于其产生及消亡，有不少文献讨论，篇幅的关系，这里不能做较深入的介绍。寒武纪生物大爆发是美国古生物学家古尔德与埃尔德里奇提出断续平衡理论（punctuated equilibrium theory，1972）的根据之一。古尔德等认为，生物进化是不连续的，由急速进化的时期与相对静止的时期相间组成。在古尔德看来，寒武纪生物大爆发恰好是生物处在急速变化的时期。古尔德并对布吉斯页岩化石群做了很详细精辟的研究（参见S.J.Gould: Wonderful Life，1989）。最近英国学者帕克（A.Parker）对寒武纪生物大爆发提出新说，认为是由于眼睛的诞生。他认为从5.44亿年前到5.43亿年前的100万年间，这在地质史上只是短暂的瞬间，三叶虫就产生了结构复杂的眼睛。之前的生物不过只有感光性斑点那样欠发达的光感受器罢了，不配称为眼睛或视觉。帕克认为，眼睛对于动物建立起“吃客与被吃者”即涉猎者与猎物的捕食关系起着极为重要的作用。而帕克认为动物间的捕食关系非常有力地推动了生物进化。寒武纪生物大爆发的根由就在于眼睛的出现（参见A.Parker: In The Blink of An Eye，2003）。从遗传学角度看，寒武纪生物大爆发是表型的大爆发。在表型大爆发之前，遗传物质肯定首先要发生大变化，为表型的大进化提供基因基础，是理所当然的事。不少基因包括与细胞间信息传递的有关基因、与形态形成有关的基因以及与视觉有关的视紫质（rhodopsin）基因都得到了研究。篇幅关系，不能一一介绍（参见宫田隆：DNAからみた生物の爆发的进化，1998；分子からみた生物进化，2014；书名译成中文，前者是《从DNA角度看生物的爆发性进化》，后者是《从分子角度看生物进化》）。在与生物大进化密切相关的诸多基因中，非常重要的颇受关注的是同源异形基因（homeotic gene），它的变异会使动物体结构发生很大的变化。下面对该基因进行扼要的说明。

2.同源异形发生现象的发现

贝特森在1894年出版了题为《为研究变异的素材》的书。该书对于遗传学和进化学都很有历史性价值。贝特森在书中最早向人们介绍了在果蝇的该长出触角的部位却长出肢来，在螃蟹的该长出眼睛的部位却长出触角来的这样一些奇变怪异的例子（图9—8）。贝特森称这种现象为同源异形发生（homoeosis）。1915年摩尔根的弟子布里奇斯（C.B.Bridges，1889—1938）在果蝇野生型的群体中偶然发现了一只长着4枚翅膀的突变型。这也是同源异形发生。布里奇斯尊重贝特森的优先权，称这种突变为同源异形突变（Homeotic mutation，缩写Hom）。

果蝇在分类学上属于节肢动物门昆虫纲双翅目（Diptera），这是因为在其中胸的左右侧生有一对膜质翅。其实从起源上讲，果蝇的中胸和后胸都有一对翅，计两对4支翅。古生代的化石昆虫Palaeodictyoptera胸部3个体节都长一对翅。2亿年前的昆虫化石也有2对4支翅的。过去认为经过2亿年的进化，后胸的1对翅变成了平衡棍，只剩下中胸的1对翅，故归为双翅目。

美国遗传学家刘易斯（E.B.Lewis）从1940年代末起研究果蝇同源异形突变问题。他用X光辐照方法得到了大量突变型，其中就有平衡棍突然“返祖”为翅的突变型。器官的形态骤然发生了跨越分类学目、纲的变化，显然是属于大进化的现象，但却是由一个突变所致，这就使人们思索：过去认为历经了2亿年或更多时间的进化过程或根本就不存在，而是由这样的基因突变瞬间导致的，一下子就发生了“瞬间种分化”（instantaneous speciation），或成为戈尔德施米特所提倡的“有希望的怪物”。但不能把同源异形突变的个例，就看作是跳跃说正确的例证，因为个例构不成群体。刘易斯的研究对于认识基因与发生关系是非常有价值的，使遗传学与发生学结合了起来，为崭新的发生遗传学的诞生奠定了基础。刘易斯和德国学者尼斯莱因—福尔哈德（C.Nusslein—Volhard）及美国学者维绍斯（E.F.Wieschaus）三人因在发生遗传学的研究方面成果卓著而获得1995年的诺贝尔生理学或医学奖。在脊椎动物也有同源异形现象，如人类有一种怪病，颌的一部分异化为耳朵，就属于同源异形突变。在植物中也有同源异形突变，如花萼或花瓣变为叶，或花萼与花瓣相互转换。造成同源异形突变现象的基因是同源异形基因（homeotic gene）。

图9—8　同源异形发生的例子a.原本该长出触角的部位却长出肢；b.原本该长出平衡棍的部位却长出翅来，结果生出4支翅来。

3.同源异形基因的一些基本概念

1980年代刘易斯等搞清了果蝇的同源异形发生的原因是同源异形基因（homeotic gene）发生了突变。与果蝇头部、胸部的构造变化有关的同源异形基因有5个，它们是：lab（labial），pb（probascipedia），Dfd（Deformed），Ser（Sex combs reduced），Antp（Antennapedia）。这5个基因组成集团，称为Antp复合体（Antennapedia complex）。与腹部构造变化有关的同源异形基因有：Ubx（Ultrabithorax），abd-A（abdominal-A），Abd-B（Abdominal-B）3个基因。这3个基因组成集团，称为bithorax复合体。刘易斯等通过反复的杂交试验，确定这两个基因复合体都存在于果蝇的第3条染色体上。这两个复合体共8个基因构成1个簇（cluster），称为同源异形复合体（homeotic complex），简称HOM—C。刘易斯等研究还发现，HOM—C复合体内的基因座位的直线排列顺序与其表达领域的前后顺序是对应的、一致的，这种基因排列顺序与表达领域顺序的一致性称为共线性（colinearity）。1980年代克隆技术发达起来。1983年瑞士学者格林（W.J.Gehring）和美国学者斯科特（M.P.Scott）分别独立地将果蝇同源异形基因Antp克隆了，发现在其外显子中存在着一段由180个碱基对连接成的DNA领域。到了1980年代后期，果蝇的8个同源异形基因都相继克隆了，发现在它们的外显子中都存在上述那一段由180个碱基对连接成的DNA领域。这段DNA领域称为同源异形框（Homeobox，缩写为Hox）。由于同源异形基因中都有同源异形框，于是同源异形基因一般就改称为同源异形框基因（Hox）了。其后，在果蝇的其他一些基因如bicoid基因和ftz基因中也都发现有同源异形框基因。

由同源异形基因翻译出来的蛋白质称为同源异形蛋白质，其中都包含着由同源异形框翻译出来的由60个氨基酸组成的同源异形域（homeodomain）。一般将蛋白质中的功能单位称为域（domain）。在同源异形域中有由3个α螺旋（helix）结构组成的螺旋—翻转—螺旋（helix-turn-helix）的立体结构。在这个立体结构中的第3个α螺旋结构能够识别出标基因中的TAAT碱基序列，此TAAT碱基序列称为主题（motif）序列。识别出主题序列之后，同源异形蛋白质通过氢键与同源异形基因相结合。同源异形蛋白质成为促进或抑制标基因表达的转录因子。果蝇的8个同源异形基因并不是直接掌管某个器官的生成或消失，而是对其发生起着调节作用（图9—9，9—10，9—11）。

不同的同源异形基因，其同源异形域的氨基酸组成也稍有不同（图9—10，图9—11）。一点点的不同便关系到同源异形蛋白质对不同的标基因所起的调节作用。在理解了与同源异形基因有关的诸概念之后，谈其进化问题。

4.同源异形框基因的进化

图9—9　与果蝇的头部体节（c1—c3表示）、胸部体节（T1—T3）、腹部体节（A1—A8）相对应的组成HOM—C的Hox基因（Lb、Pb、Dfd……abd—B）在胚中表达的式样
从3′到5′方向分布的Hox基因按照从头部到胸部到腹部的顺序进行表达。

图9—10　果蝇Antp同源异形基因翻译出的同源异形域的60个氨基酸组成
第31～38位氨基酸为螺旋，第39～41位氨基酸为翻转，第42～50位氨基酸为螺旋。

图9—11　黑腹果蝇Antp同源异形基因结构及其同源异形域的模式图

在对果蝇的同源异形框基因（Hox）深入研究之后，首先在小鼠的基因组中也发现有Hox基因存在。之后从低等到高等的一系列动物，如海胆、线虫、蛙、斑马鱼、鸡、小鼠、大鼠、人的基因组中都发现有Hox基因存在。在植物中也发现有Hox基因存在。这说明Hox基因在生物界具有普遍性和保守性。

今天在地球上生存的动物有38～40个分类学上的门（Phylum）。在寒武纪生物大爆发的时候，就出现了它们的祖先类型。在分类学上的不同的门之间，其身体的形态结构是不同的，这是因为它们的身体设计图是不同的。有38～40个门，就意味着有38～40个身体设计图。不论是无脊椎动物还是脊椎动物，体节在其身体设计图中都占据着重要的地位。环节动物的“环”字，节肢动物的“节”字就是凸显身体结构的体节制的特征。脊椎动物之所以能在动物界中获得最高的进化地位也在于其具有能动性强的体节制。而Hox基因的功能就在于调节体节及其衍生物的形成。当Hox基因发生突变，就会影响到体节以及其衍生物发生变化，如果变化的程度达到门、纲的水平，便导致生物发生大进化。

基因重复在生物进化中起着重要的作用，这是著名的美籍日本学者大野乾（O.Susumu）提出的理论。基因重复理论主张一个基因通过重复形成两个一样的基因，其中的一个拷贝维持着原来的生命功能，保证生命的存活与延续；而另一个拷贝则可以发生变异，而不影响到生物的生存，却增加了生物对环境变化的适应可能性。这样，重复、基因拷贝的增加便成为生物进化的重要手段之一。进化学者推测Hox基因的祖先型基因可能起源于寒武纪之前，Hox基因的进化是通过基因重复进行的。进化遗传学研究表明，水螅的Hox基因有3个；线虫增加到4个；推测存在过昆虫和脊椎动物的共同祖先，这个共同祖先有6个Hox基因。根据碱基序列分析，倒推其共同祖先的第5个Hox基因重复一次为2个，其中的一个基因再重复一次，结果为3个Hox基因。进化到果蝇时，有了8个Hox基因，组成同源异形基因的复合体（HOM—C）。由共同祖先进化到文昌鱼（头索动物）时，Hox基因增加到13个，组成1个复合体。当进化到脊椎动物小鼠时，复合体则增加4倍：HoxA复合体，HoxB复合体，HoxC复合体，HoxD复合体。每一个复合体中基因都有缺失，4个复合体共计为39个Hox基因（图9—12，图9—13）。

Hox基因通过反复的重复，拷贝数不断增加，而导致生物发生大进化。当然生物的大进化不能认为只是由Hox基因的变化所引起的。

关于动物形态发生过程的研究，1980年代之后，除了继续使用果蝇的材料外，还起用线虫，斑马鱼（Zebra fi sh），非洲爪蛙，小鼠等模型动物，研究得到了很好的成果，使人们更加深入地认识到Hox基因拷贝数的增加与动物进化的关系。大野乾提出的基因重复在生物进化中起着重要作用的理论越发被学界所重视。图9—14是对各种动物Hox基因进化系统关系的概括性总结。

图9—14提到了“后生动物”和“真正后生动物”，对其概念稍加解释。后生动物（Metazoa）最早由海克尔命名的，他称单细胞动物为原生动物，多细胞动物为后生动物。现在，后生动物这个概念不论在生物“五界说”或“八界说”中的动物界差不多是同义的。后生动物包括绝大多数动物门。也有的分类学家把海绵动物划为侧生动物，把二胚虫门和滴虫门划为中生动物，余下的动物称为后生动物。再从后生动物中把平板动物去掉，则为真正后生动物。

图9—12　表明Hox基因由设想的节肢动物与脊椎动物的共同祖先型进化到黑腹果蝇（节肢动物）和小鼠（哺乳动物）
在向小鼠进化过程中，Hox基因复合体发生重复，变成HoxA、HoxB、HoxC、HoxD 4个基因复合体，分别位于小鼠的第6，11，15，2号染色体上，计39个Hox基因。

图9—13　人的4个Hox基因复合体模式图
HoxA、HoxB、HoxC、HoxD等4个复合体分别位于人的第7，17.12，2号染色体上，计39个Hox基因。

图9—14　Hox基因簇起源和在进化过程中的变化（彩图见图版）
基因簇即基因复合体。图中由小方框或小三角形连成的串，如箭头2、4、5、6、11等，学者推测是在进化过程中应该存在过的祖先型的Hox基因复合体。较大的长方形框表示已得到确认的Hox基因。空的长方形框表示是有可能存在的Hox基因，但尚未得到确认。绿色的表示规定身体前端领域的Hox基因。红色的表示规定身体后端领域的Hox基因。紫色的表示规定身体中间领域的Hox基因。淡蓝色的表示ZEN/PG3区域。ZEN与果蝇的bcd基因相同：PG3是种内同源基因群3（Paralogous Group 3）之略，即脊椎动物的Hox3基因。三角形表示该Hox基因的转录方向已被搞清，三角形的箭头向右的表示该Hox基因的转录方向从5′末端向3′末端进行，三角形的箭头向左的表示该Hox基因的转录方向是从3′末端向5′末端进行。

既然后生动物包括绝大多数的动物门，其形态结构是相差非常大的，是不言而喻的。可是发生遗传学者们却意外地发现后生动物用于形态发生的Hox基因复合体却几乎是共同的。怎样解释形态结构（表型）相差极大与Hox基因的相对一致性这两者之间的矛盾呢？美国著名发生遗传学家卡罗尔（S.B.Carroll）提出了工具套基因理论（toolkit genes）。这个理论认为，所有的后生动物均使用相同的工具套基因，所以会产生出多种多样的形态来，是因为工具套基因的使用方法不同。正如，即使是使用相同的单词，作者换了，就会写出完全不同的文章来一样。卡罗尔认为开关基因（switch gene）对于形态结构的变化起着更大的作用。生物体中普遍存在着开关基因，其功能在于控制某个基因或某些基因表达与否。开关基因可改变基因表达的顺序或方式，结果就会使生物的表型发生很大的变化。卡罗尔说“引起形态变化的最大推动力不是基因的基本设计图的变异，而在于掌控开与关的开关基因的变化”。另外，有些基因不仅制约着某个器官结构的形成，而且具有多效性（pleiotropy），多效性的作用使得看上去并不相关的若干体表结构会一并发生变异而造成大的形态结构变化即大进化。

由于Hox基因突变或其他某些基因如开关基因的突变而导致生物发生大进化的问题，是当今发生遗传学的热门课题之一。我们期待着在不远的将来能取得更大的突破。