我們?yōu)楹螞]有尾巴？大腦為何如此發(fā)達(dá)？
半月談?dòng)浾?朱涵
人類從何而來？重要的線索可能藏在基因里。
(資料圖片)
2018年，我國科學(xué)家牽頭發(fā)起靈長類基因組計(jì)劃，來自中、美、德、英等國的100多位科學(xué)家參與其中。
不久前，《科學(xué)》雜志以?？问桨l(fā)表了8篇靈長類基因組計(jì)劃的研究論文。靈長類基因組計(jì)劃的最新成果是什么？有什么重大意義？靈長類基因組計(jì)劃發(fā)起人之一、浙江大學(xué)生命演化研究中心教授張國捷專門為半月談?dòng)浾咦髁酥v述。
奇妙發(fā)現(xiàn)迭出
靈長類基因組由中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所和浙江大學(xué)生命演化研究中心2018年?duì)款^發(fā)起，該計(jì)劃的目標(biāo)，是分3個(gè)階段繪制出地球上已知520多種靈長類動(dòng)物的基因圖譜。
“人類和黑猩猩的基因序列的相似度很高，差異只有2%。人與黑猩猩起源于共同祖先，這些差異主要在物種分化之后形成。我們基因組上的絕大部分區(qū)域可以回溯到早先靈長類不同時(shí)期的共同祖先。我們的目標(biāo)是希望追蹤到靈長類演化歷史過程中哪些決定性的時(shí)刻發(fā)生了對(duì)人類性狀有重要影響的變化?！睆垏莞嬖V半月談?dòng)浾摺?/p>
張國捷在研究黑猩猩頭骨
在張國捷看來，這一計(jì)劃不僅有助于我們回答人類起源問題，也能讓我們更好地認(rèn)識(shí)自身身體結(jié)構(gòu)特征的演變。
在靈長類基因組計(jì)劃公布的最新一批成果中，科學(xué)家們有一系列奇妙發(fā)現(xiàn)。
大腦曾在靈長類多個(gè)演化節(jié)點(diǎn)快速變大，一些與之相關(guān)的基因在靈長類的演化歷程中受到了很強(qiáng)的自然選擇的影響，功能得以特異性強(qiáng)化。這些基因在現(xiàn)代人群里一旦發(fā)生紊亂，往往會(huì)導(dǎo)致大腦疾病的產(chǎn)生。
尾巴是很多動(dòng)物的標(biāo)志性特征之一，尤其是對(duì)于一些動(dòng)作靈敏的靈長類物種，長短不一的尾巴能夠幫助它們穩(wěn)定身體，轉(zhuǎn)向和控制速度。然而，包括人類在內(nèi)的猿類物種失去了尾巴，這也成為其重要體征。研究表明，該現(xiàn)象可能與特定基因調(diào)控序列的突變有關(guān)。
群居生活及相應(yīng)社會(huì)行為的演變，是靈長類研究的重點(diǎn)之一，科學(xué)家對(duì)包括金絲猴在內(nèi)的亞洲葉猴進(jìn)行了自然史重建和基因組比較研究，發(fā)現(xiàn)寒冷氣候是推動(dòng)它們性情變溫和，產(chǎn)生復(fù)雜社會(huì)群體結(jié)構(gòu)的重要因素。
凡此種種，靈長類基因組講述的故事，剛剛開篇。
多重應(yīng)用潛力
靈長類基因組計(jì)劃的另一重雄心，是盡可能充分了解我們身上每個(gè)基因、每個(gè)堿基的演化過程和變異模式，為理解人類創(chuàng)新性狀和疾病發(fā)生的機(jī)制提供參照。
在本次研究中，長于人工智能的合作團(tuán)隊(duì)利用采集到的靈長類動(dòng)物基因數(shù)據(jù)集，訓(xùn)練了一個(gè)名為Primate AI-3D的人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為解釋人類基因變異的致病性找到新方法。
“我們能夠利用這些靈長類的遺傳多樣性信息來反推潛在的人類疾病致病位點(diǎn)。”張國捷說，目前，罕見病的致病原因或致病位點(diǎn)往往難于發(fā)現(xiàn)，因?yàn)楹币娮儺愔豢梢娪谌巳汉苌贁?shù)個(gè)體。
自然選擇傾向于淘汰掉導(dǎo)致嚴(yán)重疾病的變異。根據(jù)這個(gè)原則，研究者可以對(duì)基因變異“打分”，如果人類基因變異的位點(diǎn)也頻繁出現(xiàn)在其他靈長類物種中，那么它大概率不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病。同理，如果這個(gè)變異是過去就發(fā)生且長期存在的，對(duì)于現(xiàn)代人類來說，它也不太可能會(huì)造成威脅。
張國捷在標(biāo)本庫，身邊標(biāo)本為紅毛猩猩骨架
今天，非人靈長類廣泛用作醫(yī)學(xué)研究的動(dòng)物模型。一些發(fā)生在人類大腦中的神經(jīng)疾病，如自閉癥、阿爾茨海默癥、帕金森病等，在小鼠身上難以復(fù)現(xiàn)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)猴進(jìn)行誘導(dǎo)或者基因編輯，能夠構(gòu)建可以產(chǎn)生近似人類疾病的動(dòng)物模型，對(duì)我們而言更具有參考價(jià)值。
靈長類基因組計(jì)劃還能為現(xiàn)有生物保護(hù)策略提供指導(dǎo)。張國捷介紹，基因組研究可以提高保護(hù)生物學(xué)的預(yù)見性。“有很多物種沒有被列為瀕危物種，但藉由基因組信息可以發(fā)現(xiàn)，它們的遺傳多樣性已經(jīng)非常低了，這就值得我們對(duì)其采取保護(hù)措施?！?/p>
未來在于合作
1953年，英國科學(xué)家弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)——由含有四種堿基的脫氧核苷酸連接而成的長鏈。這4個(gè)“字母”排列組合構(gòu)成所有物種基因組的“生命之書”。
1990年10月，被譽(yù)為生命科學(xué)“阿波羅登月計(jì)劃”的國際人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)。1999年9月，中國加入人類基因組計(jì)劃，負(fù)責(zé)測(cè)定全部序列的1%。
如今回頭看這1%，意義非凡。1%項(xiàng)目不僅使我們得以搭建一個(gè)重要的基礎(chǔ)科學(xué)平臺(tái)，也在整體上提高了我們的研究創(chuàng)新能力。
從這1%起步，中國基因研究技術(shù)從追趕邁向并跑，并在測(cè)序儀的研制和量產(chǎn)以及生物信息學(xué)軟件的開發(fā)等方面逐漸走入全球第一梯隊(duì)。
“如今國內(nèi)基因組學(xué)技術(shù)之所以發(fā)展如此蓬勃，很大程度是由于我們盡早參與到了1%的項(xiàng)目，在參與人類基因組計(jì)劃中收獲了很多基因組研究經(jīng)驗(yàn)。”張國捷說。
走進(jìn)浙江大學(xué)生命演化研究中心，靈長類基因組計(jì)劃的研究人員正利用超算平臺(tái)，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行基因組比對(duì)和分析。目前，靈長類基因組計(jì)劃已經(jīng)產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)規(guī)模，相當(dāng)于數(shù)百萬部電影。
“我們更關(guān)心大尺度的宏觀演化歷史，通過對(duì)不同演化階段形成的物種開展比較研究，可以讓我們更充分地理解物種是如何起源、如何適應(yīng)新的環(huán)境，甚至產(chǎn)生創(chuàng)新性狀等。足夠的數(shù)據(jù)是我們研究的重要前提。”張國捷說。生命演化，是全人類共同的課題。靈長類基因組計(jì)劃盡可能廣泛地研究全球靈長類動(dòng)物的基因圖譜，這也需要更多不同學(xué)科背景的國際合作者加入，共同解讀這部瑰麗的“天書”。（參與采寫：郭千塵）
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