郭亚龙：进化的隐藏力量——跳跃基因如何驱动生物进化

专题：2024年CC讲坛

　　由北京君和创新公益基金会、中国科学院大学校友会联合主办，主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第62期演讲2024年10月26日在中国科学院大学（北京玉泉路校区）礼堂举行。来自中国科学院植物研究所研究员郭亚龙出席，并以《进化的隐藏力量：跳跃基因如何驱动生物进化》为题发表演讲。

　　以下为演讲实录：

　　我叫郭亚龙，来自中科院植物所。我今天给大家讲的题目是《进化的隐藏力量——跳跃基因如何驱动生物进化》。讲到进化我就需要给大家交代一下，我们进化生物学做什么。因为大家很多时候听过达尔文的进化论这些提法，但是到底进化做什么？我们进化生物学家其实关注的是生物多样性。你看我现在所展示的图里面有形式各样的生境，然后各种生境里有各种各样的植物。这就是我们的研究对象，也是我们人类赖以生存的物质基础。

　　你看这里给大家展示的就是我们现在吃的各种作物。吃的作物都是由野生的物种逐渐驯化来的。比如说，大家很感兴趣的左下角的小米。它就是一个典型的从狗尾巴草驯化为小米的一个过程，所以生物多样性是人类生存的和发展的宝贵财富。

　　现在大家经常都会说全球气候变化对生物产生了很大的困扰，很多生物面临着灭绝。甚至《自然》杂志有一次在一篇文章中就讲，是不是第六次大生物大灭绝已经到来了。所以这个问题怎么办？后来也有一些研究认为全球气候的变化对物种确实产生了很大的困扰。比如说这有一篇文章就讲了，全球气温每升高两度，就会致导致5%的物种面临灭绝的危险。所以，显然全球气候变化对生物的生存和繁衍会是有很大的影响。

　　大家可能就会想，你说的全球气候变化对生物进化的影响，可能是一个很长尺度时间。这个事情短期内看不到。但是我这里展示右手边这个图片，就是告诉大家20年的时间，上世纪七十年代的标本和九十年代标本这个颜色就显著的不一样，花色显著不一样。植物的花色显著不一样，会产生什么样的影响？它会影响传粉，影响传粉就会影响结实，然后就产生后面的一系列的问题。

　　其实我们现存的生物是生物适应性进化的结果。我现在展示的图上可以很清楚看到地球所产生以后在不同的时间年代有不同的物种。其实大家可以想一下，如果白垩纪的恐龙还在外面存在，还在窗户外面徘徊。大家我们各位还能坐在这儿讨论，听我这个讲座吗？我们连生存都是困难的。所以从这个意义上来说，生物的灭绝和产生新的物种，它是一个自然发生的过程。我们现在看到的是现存物种在地球进化历史上的一个切面，也就是适应进化下来的结果。

　　我们讲了这么多背景，生物面临着很大的困扰，有些物种会灭绝，有些物种也许会产生新的物种。但是作为我们人类来说，现在怎么办？我们光说现在问题很严重，那是不够的。我们现在需要的是找到应对的办法。《科学》杂志有一期文章就讲了，我们现在可以通过进化生物学的思想和方法来解决我们全球气候变化带来的挑战。

　　其实，核心的思想就是利用进化生物学的思路，揭示生物适应性进化的机制，实现有效应对。我们为了研究生物的适应或者进化，一个核心的抓手就是基因组学。因为我们每一个物种的基因组不同，每一个个体的基因组也不同，所以我们通过基因组学能够理解各种各样的物种为什么不一样。基因组学现在我们每个人也都知道。但是，现在基因组学最关键的问题是什么？核心的问题就是解读基因组。我在2011年的时候当时做完博士后也发了一篇基因组学的文章，当时我们花了很多的钱，全世界的一批顶级科学家一起联合攻关了，完成这个事情。所以后来在这做这个的过程中，我就在想我未来做什么？我去测更多的基因组。我困惑的过程中，我后来有一次发现著名的综述杂志中就有一句话说。经过我们20年的奋斗，我们发现，我们现在最大的困扰不是产生基因组，是解读基因组。就是解读基因组的变异，从而理解生物进化奥秘，是理解生物进化奥秘的关键。我们都记得当时2000年人类基因组被测序的时候，我们觉得我们理解了，我们人类的健康的所有问题。因为我们基因组都被解读了，可能问题都解决了。其实远远不够。

　　所以现在的核心的问题就是解读基因组。讲到基因组了，我们接下来看看基因组里有什么。基因组里面其实很大程度上都是转座子。转座子是基因组中的重复序列。我左边这个图里面就展示的内圈的圆圈的大小代表基因组的大小。外圈代表的就是每一个基因组里面鲜艳的颜色，指代的是基因组中转座子的比例。你可以很明确的发现，尽管不同物种中物种的基因组大小有差别，但是很多基因组里面转座子占了它的主要的组成部分。而且在《科学》杂志公布的125个未解决的科学问题中，有一个核心的问题就是转座子。这种所谓的垃圾DNA到底有什么功能？

　　说起转座子就要说一段历史，就是一个传奇的女性科学家Barbara McClintock。她是克莱尔的一个大学的教授，她发现转座子的过程也就像她的人生一样是一个传奇。你看她是当时在40多岁的时候已经成为美国遗传学会的主席。到1950年左右，那个时候她就发现了转座子。她在玉米中连经过大量的分析研究，发现转座子这个事情。但是发现这个事情之后，有很多人不认同这个事情，觉得基因它是一个稳定遗传的过程，怎么会有一些东西跳来跳去的。这个东西不符合当时在对科学的认知，所以很多人就觉得她有点离经叛道。然而随后的研究过程中，后来有一些别的科学家发现在其他的物种中有转座子存在，而且也确实验证了她的发现。所以在1983年她就获得诺贝尔奖。她是我们植物学里边唯一一个诺贝尔奖，除光合作用之外的一个唯一一个诺贝尔奖，而且还有她是唯一一个人拿的诺贝尔奖。

　　刚才我讲了转座子就是基因组中能够跳跃的重复序列，这个图就展示了转座子怎么能从一个区域跳到另外一个区域产生一个新的拷贝。我讲了这么多的转座子，转座子到底有啥作用？大家很有可能就会问这个问题。转座子的对它的认识了也是一个过程。以前认为它是垃圾序列，再后来认为它不是所有的都是垃圾序列，再后来认为转座子与宿主是共存的。

　　我想大家仰望星空，黑洞里面存在的是什么？其实我们做转座子的研究的时候也往往是这样。你可以想象这些星星是基因组中的基因，而那些黑暗的地方就是各种转座子——一些重复序列。所以很多时候我们做这方面的研究的时候，就也和天文学家一样或者做物理的一样，我们很想知道隐藏的背后的那些黑暗的潜藏的那些除基因之外的基因组序列到底有什么作用？从某种意义上毫不夸张的来说，基因就是在转座子的海洋里面漂浮的小岛屿，所以它有什么用？

　　关于转座子与宿主到底是怎么样相互共存呢？有人就提出了几个理论，有一种理论就是相互是冲突的，有我没你就是一种绝对的敌对关系。另外一种理论就讲说转座子和这个宿主是一种相互的动态平衡。就是说你打我一拳我打你一拳，反正大家谁也消灭不了谁，大家就凑合着共同存在。第三种理论就是说转座子只能够为宿主所用，宿主慢慢的把这个转座子变成自己可用的遗传成分。但事实上来说这三种理论都有它的科学价值。有一些转座子只是那种符合那个理论，有一些主要是符合这个理论。其实我讲这么多，大家很想知道一个问题，你说这个基因组里转座子的很重要，它到底影响什么表现？

　　我这里提供了一系列的例子，从左到右我依次解释。你看最左边的就是孟德尔发现了豌豆皱缩的案例。我们的遗传学的定理发现的一个经典材料，就是豌豆皮的是起皱的还是光滑的，这是个重要的性状。当时孟德尔基于性状研究遗传学定理，这个豌豆皱说与否其实是转座子插入导致的。

　　再接下来往右边你看到的是玉米。其实你大家看到的玉米都是一个主干，一个或者两个玉米棒子很漂亮。但事实上野生的玉米是个多分支的，它是一丛生的，一个多分支的东西，所以这次也是转座子的驯化，转座子的插入导致的变异，表情变异。

　　再右边就是蛾子从灰白变成黑色，也是转座子插入导致的。如果大家想再跟自己关系更近一点的话，下面这个例子就是我们人类衰老过程中，我们衰老过程中的一些重要的退行性渐变的疾病，甚至我们的肿瘤，这些癌症这些病变很多也是与转座子是有关的。

　　我们在植物里面，比如说玉米、水稻里面，以及我们在植物里面，后来也发现了一些很多好的案例，就是说转座子是生物进化的重要动力。比如说转座子你可以用它来改良作物。我用这个例子再讲一下花色的这个故事。这个故事当时讲的就是说这个蛾子在工业革命的时候，你看黑色的树干上蛾子变成黑色以后，捕食者不容易发现它。这样黑色的蛾子就大量的扩繁，在群体中到处都是黑色的蛾子，而白色的蛾子数量就逐渐减少，这个蛾子变成黑色的，也是转座子插入导致的一个事情。

　　我就利用我们自己的三个研究来讲一下我们在转座子这方面做了哪些探讨和工作。进化生物学里面有一个很重要的理论，就是自然选择理论。就是说我们可以通过一系列的计算了来筛选基因组中哪些染色体区域，哪些基因，哪些序列是受到自然选择的，这是从算法上可以解决的。

　　我们就利用拟南芥模式植物来研究植物基因组哪些区域是受到正选择的。受到自然选择的一旦受到自然选择，就说明这个基因或与生物适应当地的环境有关系，基本逻辑是这样子。然后我们鉴定每一个样本中的转座子，然后进一步的我们从计算的角度发现了，基因组里大概所有的转座子算在一块了，有2.3%的转座子是受到自然选择的。受到自然选择说明它对于生物的适应和生存是非常重要的。所以从这个意义上说明，至少基因组中有2.3%的转座子是有巨大的作用的，与生物适应当地的环境是密切相关的。我们从算法上做了一个这样的事情。我们还想有没有什么这种具体的案例能够说明转座子只能够促进生物的适应和进化。我们就做了这样一个事情。首先讲之前我还要介绍一个背景，就是我们有一个生物入侵的遗传悖论这一个概念。生物入侵的遗传悖论是指入侵物种入侵到一个新的环境的时候，由于它进入一个新生境的时候，它的个体数很少。这个群体的遗传多样性很低，但是往往入侵物质进入一个新生境以后，它的适应能力很强，所以这就是一个很大的反差。很低的遗传多样性，很强的适应能力之间的反差了，就被人家叫为生物入侵的遗传悖论。一般说到悖论，它肯定是一个很重大的科学问题。我当时看到这个现象以后，我说我们能不能从转座子的角度去解释，可能是不是由于隐藏的力量在起促进生物入侵物种的适应能力的提升。这里刚好2015年左右有人发表了一篇综述，就讲说是不是生物进入新生境新环境以后，它这个环境条件变了，它的转座子的活跃程度控制能力就会变了。这样的话产生大量新的转座子，从而促进它物种适应当地的新生境了，它入侵的新生境了。

　　我们当时就想这是个好的切入点，我们去想一想做这个事情，我们当时做这个事情的时候，我们就利用我们自己熟悉的体系就是荠菜的体系。荠菜这个体系我相信大家都了解。大家在花园边春天到处看见心型的花，都能认识出来哪个是荠菜，而且荠菜大家都吃。我们用荠菜的两个物种去做这个研究，就是我们发现有一个荠菜，它的遗传多样性很低，但是它分布的范围很宽，所以这就说明它有很强的适应能力，但是遗传多样性很低，所以它是似乎符合一个入侵物种的样子。我们就想我们看看入侵物种是不是它的转座子含量很高？我们就去看了一下，发现了遗传多样性很低的左边物种，它遗传多样性很低，但是适应能力很强。它果真具有很广泛的分布，转座子很多，而且它分布范围很宽，所以转座子可能是都能够解释这个事情。我们进一步的通过一些分子遗传学基因组学的算法和实验验证，最后我们就提出了转座子的扩增确实能够解释生物入侵的遗传悖论之谜。其实基本的逻辑就是你尽管物种遗传多样性很低，但是转座子的它是一个可以短时期内产生大量遗传变异的机制，这样的话入侵的物种可以在很短的时间内产生新的大量的变异。这种大量的变异因为它在基因组中各种区域都有分布，这样的话这个东西可以影响各种表现。可能某一些转座子影响的某一些表情，对适应当地环境就有很大的帮助。这样一个逻辑。其实也就是说，我们提出转座子是生植物快速适应性进化的重要动力。

　　第二个例子转座子确实能促进事物生物进化。第一个我们讲了理论上说转座子这里面有2.3%的是与生物适应有关。第二个我们讲了一个案例，说转座子如何促进适应性进化。第三个我们既然转座子这么重要，我们就很想知道转座子是受什么调控。因为这就是哲学上讲，我调控了谁，谁调控了我对吧？现在我讲的转座子能调控基因，影响表型、影响生物适应。我们再往后推一点，其实有时候像做哲学一样，我们就往后推一点，想一想我影响到别人，谁影响到我对吧？所以这样的话，我们就想知道，自然群体野生群体的材料中，不同的个体之间转座子的总量不一样，是受什么遗传机制在调控？所以这样的话，我们还是利用我们自己熟悉的材料体系，就是这个模式植物——拟南芥，而且大家看到左下角这个图上，我在趟河在去采样，我们在新疆采样，然后右下角的图片就是我们野外拍的拟南芥模式植物的照片。其实一个很小的小草，其实在我们南方，我们的东南沿海的东南方向的省份都有分布。所以我们利用拟南芥模式植物全球分布的这一千多个样本，我们来做基因组序列。所以我们首先想了解从基因组水平来看，转座子到底对于生物是有害的还是有利的？我们基于一系列的统计算法，我们最后给人家一个结论，转座子总体上在基因组总从全局上来说它是有害的，但这不是绝对。就是说有一些转座子还是有利的，但是从全局上来看，转座子对生物的适应或者进化还是有害的。我们得出这样一个结论，因为以前关于这个问题有很多的推测，但是我们在这儿通过统计算法各种推导计算，甚至有时候你可以想象我们这个结论并不是那么可靠，但是它毕竟是一个准确推理的一个很重要的结果。也许将来这个不一定正确，可能在别的物种中还有别的另外的模式那也有可能，但作为科学来说，只要你每一步是对的，那就是进步，因为科学就是一点一点的积累的进步。不是说某一个科学是一个大的飞跃，其实都是一点量的积累。

　　我们做完这个事情之后，我们就想知道既然转座子现在是有害的，然后它能影响各种东西，我们就想知道自然群体中转座子是受什么机制在控制？我们就通过计算生物学，数量遗传学里面全基因组关联分析的方法，通过转座子的每一个个体的转座子的拷贝数目，与它的全基因组水平的变异做关联分析，这也是一种计算分析，我们就找到了一批了能影响转座子不同个体之间转座子拷贝数变异的位点，这些位点有包括一些活性转座子。有很多的转座子是没有转座活力的，尽管它在那儿在，但是它没有进一步的扩增的能力。然后我们也发现基因组中有一些基因能调控转座子的控制，所以这里有两个核心的意思，就是说转座子影响转座子总量的有两个因素。一个是有一些活跃的转座子自己跳跃来产生更多的拷贝，来影响转座子的拷贝数目。还有一个因素就是基因组中有一些基因能影响转座子的活性，从而调控及转座子的总量。所以为我们下一步拓展这个方面的研究奠定了基础。

　　我刚才讲了转座子也算有害突变，大家很想知道什么是有害突变。其实有害突变对生物进化非常关键，因为我们讲突，变遗传变异，其实所有的遗传变异，如果从它的有利有害，甚至对生物的效果来讲，它分为三类。一种是中性突变，就是什么？它对生物无所谓，没有太大的好，也没有太大的坏，它只是发生了。另外一种就是有利突变，它对生物的适应有帮助。第三种就是有害突变，它如果发生这种变异，生物的适应力会降低。有害突变的定义刚才我已经讲了，它是指对生物自身的繁衍有损害，但是从人类的角度来讲，比如说某些有害突变可能是有利的。比如说落粒基因的突变。正常的野生物种，它的种子成熟以后，它就要落粒。它要扩繁，种子扩繁后代，要不然它种群就会灭绝了，物种就会灭绝了。但是从人类的角度来说，落粒突变是有利的。因为它不落地了以后，我们人类才能收集种子来作为粮食。而且已有的研究大多的都关注有利突变的研究，所以缺乏对有害突变的深入的探讨。有害突变对于能够显著影响物种的适应能力，特别是对我们人类来说有害突变能影响人类的寿命。比如说左边这个图你可以看得很清楚，最上面那个是老鼠，老鼠由于有害突变积累得很快，所以它寿命很短。我们在这个图上的几个物种，人类是寿命最长的，核心的原因就是我们人类累积有害突变的速度慢。所以从这个意义上来说，有害突变的研究可能对于人类寿命，对于物种保护也很重要。比如说你有一个物种很重要，它有好几个群体，你说我保护哪个？通过有害突变的研究，我发现有一个群体有害突变很多，我就保护另外一个有害突变少，对吧？这样的话我就可以保证我有效的去保护我的关注的类群，而且有害突变与很多重要的生物学过程是密切相关，自交的衰退，肿瘤的发生等等。其实人类的一些肿瘤的发生都是有害突变逐渐累积的过程，随着人类寿命的延长，有害突变越积累越多到一定年龄，这个就是一个问题。

　　我这里再讲一个例子，因为我们用有害突变怎么研究生物适应的。金露梅在我们藏族同胞里面是格桑花的一个主要类型。这是我们的神山，西藏神山脚下了，你看金露梅很漂亮，我们当时看到这个现象以后就很想知道，金露梅这么漂亮一个花，怎么在4000多米的海拔能够生存的，周围那么贫瘠，这么漂亮的花。所以我们就去做这个研究。我们做这个研究的时候我们做了很多尝试，我们从一般的模式，包括通过正选择分析找有利突变，什么有利突变促进它适应，后来做所有的尝试发现没有效果，最后我说我们反过来做有害突变。后来发现很清楚，大家看到随着这个海拔升高了，有害突变在逐渐减少，最后我们得出了一个结论就是，有害突变有效清除了促进金露梅植物适应了高海拔高山环境。而且有害突变更重要的是对植物未来生存潜力的预测方面。我们目前的计算方法很多，没有把有害突变考虑进去，所以我们下一步我们把有害突变带入进来，去预测物种适应未来的潜力到底是怎么样子的。我们在做这样的事情。

　　我最后我来总结一下我今天的汇报。我们的核心目标就是解读基因组里的暗物质，是理解进化生物进化奥秘的关键暗物质——转座子，有时候也把它叫跳跃基因。我用科学家Barbara McClintock的一句话来结束我今天的演讲。“如果你认为你在正确的轨道上，如果你自己有这种内在的知识，你知道你在这正确的轨道上，无论别人说什么，他都不能阻止你该干的事情。”因为我觉得它对科学研究或者是对我们做很多事情是非常有帮助的。因为其实科学需要多元化，我们很多研究都是在持续的坚持中取得了新的突破。最后谢谢大家！

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