互动科普

在人类以及其他多种生物的基因组中，都潜藏着大量的假基因。假基因是那种貌似正常、却没有功能的“死亡基因”。但是近年来，不断有科学家发现，假基因竟然有活动的迹象！难道假基因并没有死亡，它们有自己的功能，只是人类尚未发现？假若它们真的没有功能，那为什么我们人类在经过长时间的进化后，仍保留数量如此之多的假基因呢？太多的谜团环绕着假基因，科学家能一一破解吗？

你知道吗？在我们的基因组中潜藏着不少“骸骨”，这些沉寂已久的基因“骸骨”胡乱地散布在我们的染色体中。它们是古老的基因化石，向人类展示着现代基因的进化历程。科学家把它们叫做假基因（pseudogene）。曾经很多人都认为它们完成了历史使命，已经光荣隐退。但近年来，科学家发现的种种迹象表明，在这些如恐龙般古老的DNA之中，有些也许并非是真的沉寂，而有着活动的迹象！虽然人类基因组计划已经正式完成，但假基因身上的重重谜团才刚刚揭开一角。

基因组不是一个静止的信息库，而是一个活跃的生物计算机操作系统。假基因是一些古老密码的残留，不过与古老密码相关的功能早已被时间无情吞噬。但是我们不能忽视假基因，它们不仅记录了密码的生成与变化，而且作为基因组重建与更新过程的产物，它们还可以帮助科学家深入了解这些过程的发生、发展，甚至它们本身就是解开假基因谜团的金钥匙。

假基因身世之谜

“假”基因（false gene）貌似正常基因（real gene），但它们没有“真本事”，无法合成出功能蛋白质。上个世纪70年代末，基因学家开始在染色体的特定位点上，寻找能合成出重要功能蛋白质的基因，结果却意外地发现了“假”基因，于是正式把它命名为假基因。例如，血红蛋白（hemoglobin）具有运输血液中氧气的作用，而β-球蛋白（betaglobin）是它的重要组成部分。在寻找β-球蛋白基因的过程中，科学家们发现了一段DNA序列，它与β-球蛋白的基因非常相似，却不能合成蛋白质。原来在这个基因的结构中，具有重要功能的部分发生了突变，使它不能被翻译成有用的蛋白质。

自从人类基因组计划完成以来，科学家又接连完成了多种生物的基因组测序。大量的基因数据让基因学家们对基因组有了全面的认识。他们发现，假基因不是偶然存在的，而是普遍存于生物的基因组中。人类的基因组就像一个巨大的仓库，容纳了30多亿个碱基对，然而只有不到2%的基因组DNA可以直接编码蛋白质。在基因中，非编码序列（noncoding sequence，即内含子）大概占了基因全长的三分之一。基因之间的连接序列更是占了DNA的绝大部分，而这部分序列大多是基因组中的暗物质（genomic dark matter），它们到底发挥着怎样的功能至今还是一个未解之谜。就是在这些看似无用的广袤空间中，随意地散布着数量惊人的假基因，如同抛弃在荒野中的锈迹斑斑的汽车零件。

随着对人类基因组的研究日益深入，我们的研究小组以及欧洲、日本的研究团队发现的假基因数量已经突破了1.9万个！而且假基因发现之旅似乎还远未走到尽头。科学家估计，人类的基因组中，大约只有2.1万个编码蛋白质的基因，所以在某一天，假基因的数量很有可能会赶超我们的功能基因。一个个假基因散发着浓厚的神秘气息：它们是如何形成的？为什么它们的数量如此之多？如果它们真的无用，那它们为什么会在我们的基因组中存在如此长的时间……

对于假基因的形成，科学界已经有了明确的答案。少数假基因也曾经是重要的功能基因，只是由于核苷酸序列发生了改变，导致它们丧失了原有的功能。不过，大部分假基因都是功能基因的无效复制品：或者由于在复制的过程中，发生了致命突变，它们一产生就失去了功能；或者由于有害突变的长期积累，它们的功能慢慢消失殆尽。

功能基因要发挥功能、履行自己的职责，就必须拥有一个完整的基因结构。外显子（exon）是一段连续的核苷酸序列，负责编码相应蛋白质的氨基酸序列。在两个外显子之间，又隔着一个内含子。每个基因的起始部分含有一段异常重要的序列，叫做启动子（promoter），它就像基因的标志，没有它，细胞机器就无法识别基因。当细胞要表达某一基因时，启动子先得将很多重要的生物分子召集到自己的身边，组成一个团队，因为基因的表达是多个分子相互协作的过程。随后，这些分子就会朝着基因的下游移动，将基因转录成前体RNA（preliminary RNA）。前体RNA通过拼接加工，切除内含子、连接外显子，从而产生了经过剪切的信使RNA（mRNA）。最后，核糖体（ribosome）负责把mRNA翻译成氨基酸链。经过一系列复杂的蛋白质加工处理过程，氨基酸链形成了具有特定功能的蛋白质，它们共同执行基因的功能。

假基因可以通过两种途径产生，每种途径都能产生不同于原始基因的翻版。细胞在分裂之前，会复制整个基因组。在这个过程中，往往会产生多余的基因拷贝，它们可能会在染色体上的其他位置安家落户。另外，在基因表达的过程中，mRNA可能会逆转录成DNA序列，然后重新插入基因组中。这是一种逆转录转座（retrotransposition）现象，并且还可以由一种转座遗传因子（transposable genetic factor）—— 长散在元件（long interspersed nuclear element，LINE）引起。LINE具有制造自身DNA拷贝并将它插入基因组的能力，而且当LINE活动时，其邻近的mRNA转录产物也能随之一起被逆转座。

在进化过程中，复制和逆转座是改变基因组、产生生物新变体的主要力量。通过复制产生的基因拷贝与原来的基因一样，具有正常的功能，它们插入基因组后，基因组就能获得更多的进化机会。但是，假如基因拷贝中含有错误序列，或者缺失了重要DNA片段（如启动子），那么它就会变成假基因。通过基因复制产生的假基因仍然含有内含子和外显子，它是可识别的，因而科学家把它称作复制型假基因。但是由mRNA逆转录得到的假基因不含内含子，所以由此产生的假基因被称为加工型假基因（processed pseudogene）。

在人类基因组中，虽然这两种假基因似乎是随机分布的，但是各种功能基因产生假基因的能力却有高有低。基因学家根据功能基因在序列和效用上的相似性，将它们划分为不同的基因家族。在这些家族中，大约只有1/4与假基因有关，不过有些基因家族却非常“善于”制造基因拷贝。例如，编码人类核糖体蛋白的基因家族由80个基因组成，而由此衍生的加工型假基因就高达2,000多个，大约占了整个基因组中已发现的假基因的1/10。还有一个核糖体蛋白基因，叫作RPL21，由这一个基因衍生的假基因超过了140个。

造成这种差异的原因可能是不同基因的功能有所不同。某些基因的产物对于细胞的整个生命过程都是必需的（如核糖体蛋白家族的基因），它们会在细胞中持续、大量地表达，因而有更多的机会衍生出加工型假基因。

长期以来，假基因就是以这样的方式，不断地在我们的基因组中出现。在漫长的进化过程中，有些基因早已消失，但是它们的仿制品——假基因却保留了下来，尽管已经失去了原有的功能。还有一些基因，经历了几多变迁之后，早已面目全非，但是我们仍然可以在假基因身上看到它们早年的英姿。因此，基因区间（intergenic region）是一个巨大的分子化石层，无声地记录着我们的进化历程。

差异巨大的假基因

自然选择规律是一条极具普遍性的规律，似乎连我们的基因也要经过一番自然选择。通常情况下，功能基因会受到严格限制，很难发生突变。如果基因发生了突变，而这一突变有利于提高物种的适应能力，那么突变就很有可能被保留下来。但是，如果突变有损基因的正常功能，那么发生突变的基因就会被无情地抛弃。

不过，一旦被丢入基因组的“垃圾堆”里，假基因就不再受到选择压力的限制，就可以自由地“收藏”各种突变，包括那些对正常基因有害的突变。针对假基因的这个特点，科学家们可以根据假基因中核苷酸的变化获得一种分子钟（molecular clock），然后用它来研究基因组的总体发展动态与进化过程。正如古生物学家能从化石中读出物种的兴衰一样，分子生物学家也可以追溯基因与假基因的进化轨迹，然后揭开基因的产生与消失之谜。

从细菌到酵母、蠕虫，再到果蝇和小鼠，我们已研究了多种生物的基因组。在不同的物种之间，假基因的数量有很大的差异，甚至比基因之间的差异还要显著。另外，假基因的数量与基因组的大小、基因的总数都没有严格的比例关系，因而根本无法估计出在某个物种的基因组中，假基因是多还是少。但是把相关基因与假基因进行比较，则是一个获取信息的重要手段。通过比较，不仅可以知道某个基因的发展历程，还可以了解分子进化是如何进行的。

在哺乳动物中，嗅觉感受器(olfactory receptor，赋予我们嗅觉的细胞表面蛋白)基因家族是已知最大的哺乳动物基因家族之一，共由1,000多个基因组成。以色列雷霍沃特(Rehovot)魏茨曼科学研究所(Weizman Institute of Science)的多伦·兰赛特(Doron Lancet)和约阿夫·吉拉德(Yoav Gilad)对嗅觉感受器(OR)基因及其假基因进行了详细的分析。他们认为，人类在漫长的进化过程中，已经失去了大量的功能性嗅觉感受器基因，而有幸尚存于人类基因组中的已不足500种。然而在大鼠和小鼠的基因组中，有300余种与人类嗅觉感受器假基因相似的基因，仍然在默默地为小鼠的嗅觉做着贡献。

这是不是因为大多数动物比人类更依赖嗅觉呢？人类的嗅觉感受器假基因明显多于黑猩猩，这就是说人类与猿类进化分离之后，很多嗅觉感受器基因也随之丧失。但是猿类的嗅觉感受器假基因的比例（占OR基因家族的30%~40%），又要比啮齿类或犬类动物高一些。这又是不是因为，在猿类的嗅觉退化以后，它们又拥有了另一项本领，而这项本领恰好可以弥补嗅觉退化带来的不便呢？

在研究了猿类、猴类以及其他灵长类动物之后，兰赛特和他的同事们发现，猿类和猴类的嗅觉感受器基因丧失得最多，也就是它们的嗅觉感受器假基因增加得最多。但是，在它们嗅觉退化的同时，它们的视力却得到了增强：能看见三种可见光波长的颜色。这种关联性也许是在暗示，灵长类动物在进化过程中，感官功能进一步协调，视力得到增强以后，敏锐的嗅觉似乎就可有可无了。

与生物体适应周遭环境相关的基因，通常会发生大量的复制和改变，从而形成大型基因家族，就像嗅觉感受器基因家族。许多刚复制出来就没有功能的假基因就是在这一过程中产生的。还有一些后来才失去功能而变成假基因的多余基因拷贝，也往往与生物体周围环境的变化有关。假基因记录了动物们曾经的生活环境，通过比较不同动物假基因之间的差别，就可以发现动物祖先们生活环境的差异。而功能基因则无法提供这些线索，因为这些基因被自身的功能紧紧地约束着。

来自基因组的研究显示，99%的人类基因都能在小鼠的基因组中找到相对应的基因。虽然早在7,500万年前，人类和小鼠的祖先就进化分离了，但是几乎整个人类基因组都能在小鼠的基因组中找到对应的区域。然而，尽管功能基因与基因组结构存在着相似性，但是已知的人类假基因，却很难在小鼠的基因组中找到相对应的部分。

更有甚者，一些基因家族产生的假基因，在人类和小鼠中有着天壤之别。当我们利用亲本基因（parent gene）的序列衰变速率来确定基因的年龄时，发现在人类和小鼠的基因组中，有很多假基因是在不同的时间点出现的。这个观察结果表明，各物种的假基因是在截然不同的情况下，通过大量的、独立的逆转录转座产生的。

假基因的真实身份

作为古老的化石基因，假基因几乎从未受到科学家的重视。现在，对假基因的研究才刚刚拉开序幕。以前，科学家也曾对假基因进行分类，那只是因为人们想要把它与真正的基因区分开来，以便对基因序列进行分析。然而，鉴定假基因却不像确定基因那样简单直接。根据特征元素对DNA序列进行扫描，模式搜寻法（pattern-seeking，一种计算机方法）能够成功地识别基因。而假基因的鉴定则主要依赖于它与基因的相似性以及它的非功能性。寻找假基因与基因的相似性不难办到。利用计算机，将假基因的序列与可能的亲本基因进行彻底比对即可。最大的困难主要来自于对假基因非功能性的确定。

造成生物体死亡的原因多种多样，致使基因沦为假基因的突变同样是五花八门的，只要是影响蛋白质生成的有害突变，都有可能使一个基因拷贝失效，从而变为假基因。有害突变有明显的特征，从假基因的序列上，我们就可以把它找出来。在假基因的序列上，往往会有过早出现的“终止信号”、增添或者缺失的核苷酸，这些突变改变了细胞机器的阅读框(reading frame)，因而假基因就无法合成蛋白质。真正的基因绝对拒绝这样的突变，所以这就成为了假基因的典型特征。

20世纪60年代，日本数学生物学家木村资生(Motoo Kimura)提出了中性进化(neutral evolution)理论。他认为，无功能的DNA序列不会受到自然选择的限制，可以随意改变。个别的核苷酸突变可以分为两类，一类是同义突变(synonymous change)，它不影响基因编码的氨基酸序列，另一类被称为非同义突变(nonsynonymous change)，这种突变会影响基因的正常表达。蛋白质的氨基酸序列一旦改变就会丧失原有功能，因此在自然选择的压力下，基因即使发生突变，也很可能是同义突变，而无功能的DNA序列则不会受此限制。

然而，比较了多个基因组中的假基因后，我们发现了一个奇怪而又意外的现象：有少数假基因，如果它们的序列在进行中性遗传漂变（drift neutrally），那么假基因就很少发生变化。因此，这些假基因很可能受到了进化作用的约束，这就是说，它们仍然具有某种功能！那么如何才能确定假基因是否还在发挥功能呢？最简单、最直接的方法就是，看它是否会转录成RNA。最近，Affymetrix公司的托马斯·金吉若斯（Thomas Gingeras）和美国耶鲁大学的迈克尔·斯奈德（Michael Snyder）进行了一项研究，他们在试验中发现，人类基因组中的基因区间，有很大一部分仍在积极地转录。而且，在所有忙于转录的序列中，已知基因所占的比例不超过50％。另外，在积极转录的基因区间中，很多都是与假基因重叠的，这是否意味着或许有些假基因仍然有活性呢？

在美国，针对基因组里的暗物质，由多个研究团体成立了一个研究联盟，我们的研究小组就是这个联盟的成员。目前，我们正在努力完成一件意义非凡的大事——创造一本“DNA元件百科全书”（encyclopedia of DNA elements，ENCODE）。这个项目正处于试验阶段，我们的最终目标是彻底解读基因组这部巨大的天书，确定基因组中所有的组成部分及其功能。以前的研究和ENCODE的初步数据显示，在人类基因组中，至少有1/10的假基因是具有转录活性的。既然如此多的假基因都可以转录，那么它们到底有什么功能？还有证据表明，某些假基因与基因间序列相比，更具保守性，这是不是说假基因无用论根本就是错误的看法？

近年来，分子生物学家通过大量的研究，已经隐约看到了假基因的真面目，尽管还不能确定：假基因可能不会合成功能蛋白质，但是它会调节功能基因的活性。在高等生物中，虽然有不少基因并没有合成蛋白质，但是它们的转录产物——RNA，却控制着其他基因的活性。这些起调控作用的RNA分子，能以不同的方式激活或阻遏其他基因的表达，甚至在基因被翻译成蛋白质的过程中，它们也会横插一脚。到目前为止，已经发现了至少两个假基因有这样的功能。

1999年，英国萨塞克斯大学（University of Sussex）的迈克尔·奥谢（Michael O’Shea）带领的研究小组发现，在普通椎实螺的神经细胞中，一氧化氮合成酶（nitric oxide synthase，NOS）的基因及其相关假基因都会转录成RNA，但NOS 假基因的RNA转录产物的作用却是，抑制正常NOS基因的RNA合成蛋白质。

2003年，日本埼玉医科大学的广常真治（Shinji Hirotsune）在做试验时发现，他的一组实验幼鼠所表现出的畸形，竟是由一个假基因的改变引起的。在正常情况下，如果Makorin1基因（一种重要的起调控作用的基因）失去活性，那么小鼠的发育会突然终止。当时，尽管广常没有对Makorin1基因进行任何处理，但是小鼠的发育还是受到了影响，这让他百思不得其解。追查原因时才发现，原来他在无意中破坏了Makorin1的假基因，从而影响到了Makorin1基因的功能。

迄今为止，在生物体的某些细胞中，已经发现了不下20起这类现象。虽然这些发现还显得比较肤浅，但是仍然可以说明，某些假基因在某些方面是有活性的。因为大多假基因都具有与亲本基因极其相似的核苷酸序列，所以我们可以信心十足地推测，发生在NOS和 Makorin1假基因身上的现象并非偶然。但是它们现在所拥有的特定功能，是不是在它们产生时就具有了呢？对此，我们还很难断定。不过，它们的活性很可能是由于生物体选择性地保留了有益突变，或是自然界“变废为宝”的一种手段：把无用的假基因变成有用的调节因子。

假基因复活

分子古生物学时代拉开了序幕，科学家们为此激动无比。今天，我们才刚刚触摸到假基因，也许还有大量的假基因我们还没有发现。随着科学的进步与研究的深入，假基因的数量肯定会继续增加，肯定会带给我们更多的惊喜。假基因的大规模鉴定，是一个动态的数据发掘过程，在很大程度上，现有技术还依赖于假基因与已知基因序列的比对。虽然比对技术能轻松地辨别出近期产生的假基因，但对于非常古老的、已退化的序列，这种检测体系就力不从心了。对人类基因组研究的不断细化与深入，将帮助我们揭开假基因谜团。

最近的一些迹象表明，不仅某些假基因具有一定的功能，而且还有一些假基因竟神奇地复活（原本无活性的基因，又变成了可以产生功能蛋白的活性基因）了！在一次序列比对中，科学家发现，一种奶牛的核糖核酸酶（ribonuclease）基因的前身，居然是一个沉寂已久的假基因，只是在最近的进化年代又被重新激活了。我们已经发现，假基因在不同的个体之间存在着细微的差异。例如，有些嗅觉感受器假基因的界定就很模糊，因为它们在有些个体中是假基因，而在另一些个体中却是完整的功能基因。如果在假基因的某些序列上发生随机突变，而这些序列恰好是造成假基因无效的凶手，那么假基因就可能复活，出现这些异常的情况。人与人之间的嗅觉灵敏程度的差异就是由此产生的吗？或许，现在就对人类个体差异的来源进行猜测，似乎还太早了。

然而我们的研究显示，当酵母菌被置于一个充满压力的新环境中时，它的某些细胞表面蛋白假基因就会被重新激活。因此，假基因也有可能是还未成熟的基因，而不是死亡基因（虽然它们也使我们对自己的过去有了新的认识）。随着环境的变化，我们可以将这些藏在基因组深处的假基因，重新提取出来加以利用。假基因迷雾正一层一层被科学家们拨开。