基因組學的未解之謎

基因組學的未解之謎

　   隨着DNA測序技術的發展和廣泛應用，揭開了諸多令人困惑的“科學謎團”，同時也遇到了更復雜、更深刻、更具有挑戰性的新問題。
　　遺傳學和物種進化理論是生物學的幾大基石之一。DNA測序技術從根本上解決了發現遺傳變化的手段，使我們幾乎可以肆無忌憚地獲取任何物種和其羣體的遺傳信息。我們同時也要思考：生物學，尤其是基因組學，還有那些未解之謎？這裏我們不妨先探討其中的三個。
　　第一個“生命之謎”是植物、脊椎動物、節肢動物等不同高級譜系基因組之間的結構差異。例如，高等植物基因組有很多基因間區（基因之間沒有基因的部分，大多是被稱爲RNA轉座子的重複序列），但是這些部分有時候會是整個基因組核苷酸總數的95%（例如大麥和小麥）以上，因此我們不禁要問：爲什麼植物要複製這些不編碼蛋白質的DNA序列呢？爲什麼不增加一些編碼基因的序列呢？難道這裏是“進化”的“死角”？與植物基因組相反的是：動物基因組將重複序列放在了基因的內含子裏面（內含子是基因的一部分，與外顯子構成基因的結構部分），不僅被複制了，而且還被轉錄了，最後在翻譯之前又被毫不吝惜地丟掉了。從表面上看，也是一種資源的浪費。因此，我們稱之爲“複製—轉錄負擔”之謎，即植物基因組複製多餘的非編碼DNA，動物基因組轉錄多餘的RNA。
　　第二個“生命之謎”是基因突變和自然選擇之間的在分子水平上的複雜性。200餘年來，達爾文的進化理論主導了生物學各個領域，達爾文和他的繼承者們否定了拉馬克主義的進化理論（以“用進廢退”和“獲得性遺傳”最爲著名），認爲遺傳突變是隨機產生的，而且大部分是中性的，或近於中性的弱有害突變。然而，我們十餘年來的研究發現突變和選擇的機制其實既有達爾文主義的原理，也有拉馬克主義的原理，遠比人們已知和想象的要複雜和細緻得多。從數量來看，“達爾文主義變異”（或稱隨機突變）毫無疑問佔據了主要的地位；但是從複雜性來看，“拉馬克主義變異”（非隨機變異和非蛋白質功能選擇）則更功能化、更細膩、更無所不在，因此也更神奇。因此，這個“生命之謎”又稱爲“生殖系之謎”。
　　第三個“生命之謎”是遺傳與非遺傳（或稱環境和表觀遺傳）的關係，或稱“表觀遺傳之謎”。儘管分子生物學也有60年的歷史了，但是遺傳學與分子生物學，尤其是與細胞生物學的邊界還是有很深的鴻溝。比如，細胞生物學家在選擇研究對象時往往忽略遺傳學因素。分子生物學家對機制和分子之間的相互作用感興趣更多。目前生物學研究的總體趨勢是“分久必合”，是信息和知識的大整合時期。邏輯很簡單，生命是複雜的，因此科學研究也應該走向接納複雜性、認識複雜性和解決複雜問題。過去我們對非遺傳因素的定義非常粗略，現在是重視的時候了。我曾提出了所謂的“五流說”，強調遺傳學只是“信息流”的學問，其他四個“流”是用來定義非遺傳因素的：“操作流”、“分室流”、 “平衡流”和可塑性的研究。這“五流”以各自的研究進展，不斷深化我們對生命奧祕認識的同時，也提出了很多新的問題。