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人类基因组计划和其他的大型基因组测序计划,都可以证明这些跳跃基因在进化上的成功实在让人惊叹。
人类基因组几乎有一半都是跳跃基因或其衰退的(突变的)残片,总计来说,人类全部的基因里大致有三类自私的跳跃基因,不管是死是活。
就某方面来说,死掉的跳跃基因(就是突变到一定的程度然后完全失去功能,因而无法跳跃)比活着的跳跃基因危害更大。
因为活着的跳跃基因至少会把自己从RNA序列上切下来,而不至于造成任何实质上的伤害。
而死掉的基因呢?它不会切掉自己,只会阻碍正常程序。
如果这段基因不会切掉自己,那宿主细胞就要想办法除去它,不然它会进入蛋白质制造程序,从而引发大灾难。
早期真核细胞刚进化出来的时候,确实发明了一些机制来切掉不想要的RNA。
这些机制很有趣,细胞其实只是利用跳跃基因自己的RNA剪刀,然后包上一些蛋白质就成了。
所有现存的真核生物,从植物到真菌到动物,都在使用这些古老的剪刀,来切掉不想要的非编码RNA序列。
因此,现在我们看到了真核细胞里面极为怪异的情况就是,真核细胞的基因组里缀满了自私的跳跃基因制造出来的内含子。
每一次细胞读取一个基因的时候,就用从跳跃基因那里偷来的RNA剪刀,把这些不要的片段从RNA序列上剪掉。
问题是,这些古老的剪刀速度有些缓慢,而这正是细胞需要细胞核的原因。
原核细胞无法忍受跳跃基因或内含子。
原核细胞的基因和制造蛋白质的整套机器之间并没有区隔。
在没有核的情况下,制造蛋白质的小机器(核糖体)直接和DNA混杂在一起,基因在被转录成RNA的同时也被转译成蛋白质。
问题就是,核糖体转译蛋白质的速度奇快无比,但是RNA剪刀切掉内含子的速度却比它慢,当剪刀正在剪内含子的时候,细菌的核糖体早就制造出好几套因夹杂内含子而功能不良的蛋白质了。
细菌如何让自己免受跳跃基因和内含子之害,至今仍不清楚细节(或许是通过整个族群的负选择),但是事实是它们办到了。
大部分的细菌几乎都剔除了所有的跳跃基因和内含子,只有少数细菌(包含线粒体的祖先)还带有一些。
这些细菌的基因组里面,大概只有三十几个跳跃基因,相较之下真核细胞的基因组里,可是有上千到上百万套乱糟糟的跳跃基因。
真核细胞的嵌合体祖先似乎屈服于来自线粒体的跳跃基因大肆入侵。
这样说是因为看起来事情就是如此。
真核细胞里的跳跃基因,在结构上和细菌体内发现的少数跳跃基因十分相似。
特别是绝大部分真核生物相同基因的内含子,都插在同一个位置,从变形虫到蓟花是如此,从苍蝇、真菌到人类亦是如此。
根据推测,这很有可能是早期跳跃基因入侵时,不断地复制自己散布到全基因组中,但是后来因渐渐衰退而死去,结果就在真核细胞共同祖先的基因组里留下了这些固定的内含子。
但是为何当初跳跃基因会在早期的真核细胞里造成这种大混乱呢?一个可能的原因是,当初细菌的跳跃基因在古细菌宿主体内四处跳来跳去的时候,古细菌宿主细胞根本无法处理这些东西。
另一个原因则可能是早期嵌合体细胞族群还太小,无法像大型细菌族群那样利用负选择来淘汰有问题的个体。
不管原因是什么,最早的真核细胞始祖现在要面临一个难解的麻烦。
它被大量的内含子侵扰,而且因为RNA剪刀切去它们的动作不够快,很多内含子已经制造出一堆蛋白质了。
这不一定会造成细胞死亡,因为无用的蛋白质最终会被分解掉,而慢速剪刀最终也会完成工作,让细胞开始制造好的蛋白质。
不过就算不会造成死亡,也必定是极为可怕的灾难。
而解决之道就在眼前。
根据马丁与库宁的想法,要重建秩序最简单的方法,就是确保RNA剪刀有足够的时间,可以在核糖体开始制造蛋白质以前把工作做完。
换句话说,就是要确保带着内含子的RNA,会先经过剪刀处理,然后才送给核糖体。
对细胞而言,只要区隔体内空间,把核糖体和邻近的DNA分开,就可以争取到足够的时间。
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