插入基因组一些DNA序列的，是那些能促发迅疾而广泛的遗传改变的区段。

著名作家和癌学家刘易斯 • 托马斯(Lewis Thomas)曾经写道：“DNA对稍稍出错的包容，真是奇妙的事。没有这个特性，我们会仍是厌氧细菌，更不会有音乐。”像许多其他学者——诺贝尔奖金获得者巴巴拉 • 麦克琳托克(Barbara McClintock)是著名的例外——托马斯认为，遗传的改变，也即新物种的进化，源于一些基因的个别、微小、随机的突变。但是，大量增长的论据——多数发表于今年六月纽约科学院主持召开的《生物进化的分子策略》研讨会——表明，生物学家之主流必须从很不同的观点来考虑基因组，以及它们进行的与进化有关的变化的类型。

研究表明，导致进化性变化的突变，既不微小，也不像许多生物学家长期来设想的那样稀少。有时，它们涉及DNA的相对较大的片段——像可移位元件(Transposable element),麦克琳托克原先在玉米中发现的DNA片段——的移动，它们甚至能采取遗传物质全盘打乱重组或复制的方式。所有这些变化，能影响基因的表达，或者，使复制出的基因自由地发展新功能。

再者，这些变化可以是非完全随机的。例如，研究人员已经发现，DNA的有些片段，根据其性质，较之其它片段，更常被复制，或者移动至另一位置。他们并力争搞清，复制和维持DNA的一些酶，将变化导入基因组的某些特定部位，形成提高进化效率的突变热点。诚如芝加哥大学细菌遗传学家杰姆斯 • 夏皮罗(James Shapiro)指出，“细胞是自身基因组的工程师。”

诸如此类的发现，纽约市生物技术顾问林恩 • 卡波拉尔(Lynn Caporale)喻之为“词形转换”。过去，研究人员曾设想，基因组向突变率最小、防止随机遗传变化的方向进化。但是，新发现使他们相信，最成功的基因组可能是那些已经进化到能根据需要作出迅疾而重大变化的基因组。诚如麦克琳托克在她1983年接受诺贝尔奖金时的演讲中所说，基因组是“一高度敏感的细胞器，在环境严峻的时刻，能启动自身的重组与修复功能。”

大自然的基因工程师

基因组怎样能重组自身？最怪异的例子之一来自科罗拉多大学分子遗传学家大卫 • 普雷斯科特(David Prescott)。在过去的25年里，他研究了一组叫做腹毛纤毛虫的单细胞动物的基因组成，它们的基因组真是怪极了。

除掉工作着的大核，每个纤毛虫还含有1个或1个以上的小核。大核含有所有基因的多个拷贝，每个小核带有所有基因的2个拷贝。小核基因通常不活动，其编码区被多个叫做内消序列(internal eliminated sequence)的间隔DNA隔裂为多个片段。在迄今分析了的10个基因中，3个基因的编码区还有顺序错误。

当纤毛虫进行有性生殖时，来自双亲的小核融合并开始新小核与新大核的形成，这些小核基因必须进行戏剧性的变化。当大核成形时，小核基因不仅编码区之间的DNA须消除，而且编码区的顺序也须纠正。“都得定时完成，”普雷斯科特写道。

使小核基因的编码区重排并隔开，虽似浪费时间，但普雷斯科特认为，这样的安排有助于产生新的基因，有助于纤毛虫适应所处环境之变化。他和他的同事检查了6种纤毛虫的DNA序列，发现各个内消序列之大小彼此有别。有时，它们作若干核苷酸的移位，形成稍有差异的编码区，这给能够发生的变化增加了新的维(dimension)。因为现在，不仅原编码区，而且稍有变化的编码区，都可供重组一个新基因了。

多数生物体没有纤毛虫那样极端。但是，如果仅只在较小的程度上，它们有完成类似的DNA重组的潜在能力，因为它们具备切割、重组并粘接DNA所需的酶。这样，普雷斯科特下结论道，纤毛虫正"教给我们DNA能变哪些戏法及能在进化中扮演的角色。”

非随机突变

发生于纤毛虫基因上的变化看似随机的，但研究其他物种的人员发现，“在整个基因组，突变率并非千篇一律。”一个显著的例子来自犹他大学分子生物学家鲍尔多默罗 • 奥利维(Baldomero Olivers)，他已经测定了存在于食肉Conus蜗牛毒素的难以置信的差异。

Conus蜗牛有500种之多，是海生无脊椎动物中的成功者。它们都用毒叉麻痹虫类、鱼类或其它软体动物，以猎取食物。毒液含有50~200个肽链，视蜗牛种类而定。“每种Conus蜗牛有其独特的一套毒素肽，”奥利维说。这使蜗牛鉴别成为可能。造成这种毒素多样性的基因差异，似乎集中于蜗牛DNA的一些特别的热点上。

 当奥利维及其同事检查毒素肽的前体蛋白质的编码序列时，他们发现，在所检查的交配着的Conus蜗牛，其第一个编码区或外显子，雌雄间几乎是完全一样的。对比起来，编码毒素混合液中一个肽的第三外显子，“正处于不稳定的待变状态，”奥利维说。因为在进化过程中前体蛋白质的功能部分较之其余部分通常倾向较少变化。该发现提示，这种能应变的外显;子，说不上什么原因，但有固有的突变倾向。美国环境卫生研究所生化学家托马斯 • 孔克尔(Thomas Kunkel)说，“蜗牛是大自然利用基因组应变性引起遗传变异的一个极好例子。”

孔克尔强调指出，对这样的突变热点，应有若干不同的解释。首先，对潜入基因组的差误的修复有效率能有很大差异。在DNA修复酶的试管研究，孔克尔发现，对DNA复制差错的修复，根据需修复序列的性质，其差错率小至3%，大至99%。这可能由于需修复的序列影响修复酶发挥作用的难易。

其次，当DNA复制时，有些序列远较其它序列倾向出错。特别是，由同一碱基重复若干次，或重复;的单纯二个碱基、三个碱基组成的DNA，是很难准确复制的。问题在于，新合成的链相对于被复制的链倾向出错;所以，根据它是向前还是向后出错，它复制结束时，要比被复制链长些或短些。

基因组的应变性

大家知道，这样单纯的重复导致疾患。研究人员已将导致亨廷顿病和其它遗传疾患的基因突变溯源至与有关基因相联系的三联体之重复数的大量增加。但是，以色列魏茨曼科学研究所生物物理学家爱德华 • 特里福诺夫(Edward Trifonov)与南伊利诺斯大学进化生物学家大卫 • 金(David King)及其同事说，重复也绐基因组提供使基因精确表达的手段。由于与基因相联系的重复数在个体间的随机差异，如果重复数影响基因之功能，在一定的环境条件下，有些人较之另一些人更优越。金举的一个例子就是，控制母乳中脂肪含量的基因。这些基因有时含有重复，它们能在不改变编码区条件下帮助设定活动水平。

重复还能间接地影响基因活性。例如，在果蝇，研究人员已经发现，某些基因，当它们接近一系列重复时，较之它们位于染色体的另一些部位更少可能被表达。还有，至少有60个编码转录因子(它们控制其它基因之表达)的基因含有可调节的重复。1994年，研究人员证实，重复数之改变能影响转录因子的产生速率，这又转而影响被转录因子控制的其它基因的活性。

叫做转座子或可移位元件的重复序列，可从DNA的一个片段移动至另一片段，这给基因组的应变性提供了另一来源。基于对谷粒颜色变异之研究，麦克琳托克于1948年首次提出存在转座子的观点。例如，她注意到，从这一代到下一代，颜色就变了较之通常的进化性改变、那是太快太快了。这导致她提出每当基因组复制时，所谓的“控制元件”能在基因组内跳来跳去。如果一个控制元件跳进一个基因，譬如谷粒颜色基因，它会间断该基因序列，使它失去功能。嗣后，如果它跳出来，该基因的功能，也即谷粒颜色，会恢复原样。

嗣后的大量研究证实了她的观点。但是，长期来可移位元件被看作是有缺点和毁坏性的DNA，似乎基因组的任何部位它们都去，其效应与随机基因突变无大差别，对生物体之生存，有害的可能性大于无害。

但是，正如麦克琳托克所认识到的，这些移动不仅对基因表达有深刻影响，而且为进化提供了原材料。日本基础生物学研究所的Shigeru Iida及其同事最近对牵牛花的研究提供了一个例子。对牵牛花一些突变体花朵上蓝或紫色素的丢失，他们溯源到有关色素基因被可移位元件所插入。

正如在谷类，转座子不经常待在原处。有些植物的突变型，花色原来全是白的，后来，出现有斑点或有条纹的花，表明在这些有色细胞里，由于转座子的移去，变化了的基因又恢复了功能。在植物的野生型，有斑点或有条纹的花能对进化起作用。因为，-种构型可以较另一种构型更吸引传粉昆虫，使有该种构型的植物居于优势。

转座子很可能对较高级的脊椎动物的进化同样起关键作用。新资料提示，使免疫系统产生无穷品种的抗体起关键作用的两个酶，是远古转座子的遗迹。抗体变异之多，缘于编码抗体之基因的装配方式：三个隔开的序列(分别以V、J、D表示)联结成单一的抗体基因，而每个序列表现为很多变形。最近有二篇论文——其一为耶鲁大学的戴维 • 沙兹(David Schatz)及其同事发表于《自然》杂志，另一为美国糖尿病、消化与肾病研究所的马丁 • 盖勒特(Martin Gellert)研究组发表于《细胞》杂志一证实起装配作用的酶Rag1与Rag2，其作用确如使转座子移动的转座酶(trarnsposase)。

转座酶识别转座子的两端，将它从染色体上切下。被切下的DNA片断和仍然附着的转座酶能卷曲成环状，并移动至基因组的新部位，确如Rag1与Rag2复合体之所为。沙兹说，“在试管里，Rag1与Rag2跟转座酶是分辨不出来的。”

这个发现有助于解释为何有适应性的免疫系统在进化过程中似乎出现得很突然。不似脊椎动物的多数特征，免疫系统在非脊椎动物没有对应结构，荷兰癌症研究所的分子生物学家罗纳德 • 普拉斯特克(Ronald Plasterk)说。转座子突然插入含有抗体基因之远祖的基因组部分，为众多基因复制并演化为大抗体基因复合体创造了条件。“一个可移动的DNA片段对进化过程竟有如此巨大影响，免疫系统就是一个惊人的例子!”沙兹说。

除掉毁坏特定基因改变基因组外，可移位元件还能调整基因组的整个结构，提供另一种基因组应变性。Iida已经发现，包埋于牵牛花转座子的外源性基因的一些部分，提示转座子能抓住一些基因，并将它们全部转移至基因组的新部位。如果事实确是如此，那么，DNA便可能被全盘重组，一些基因便会处于新的节制关系，发挥新的作用。

在今年6月12日的《科学》上，埃文 • 艾克勒(Evan Eichler)及其同事论证了在人类及其它灵长类，重复序列极可能对含若干基因的DNA的复制起作用。研究人员发现，16号染色体1个片段的一些拷贝，出现于人体基因组的其它一些部位。艾克勒提出，被插入的DNA片段之末端的重复序列是对酶的信号：当DNA复制时，切下该片段，让它插入其它部位去。转座子与重复间的序列相似性，提示重复序列可能是古时可动元件(mobile element)之遗迹。“可移位元件对进化所起作用，不再是推测，”宾夕法尼亚大学分子生物学家尼那 • 费多罗夫(Nina Federoff)下结论道：“这是事实。”

当一个物种面临新的选择压力，转座子对进化的作用会增加，卡波拉尔说。诚如她所指出，“机遇偏爱有准备的基因组。”研究人员首次注意到这点是在1988年，当时还在哈佛大学的约翰 • 凯恩斯(John Cairns)就阐明了，当大肠杆菌需要演化出新的能力，以适应环境的变化，其突变率增高了。当时，似乎只有那些与适应直接有关的基因才变。这个适应性或定向性进化的观点引起了很大震动。

但是去年，贝勒医学院的苏姗 • 罗森堡(Susan Rosenberg)及其同事证实：整个基因组之突变率是增加的，但限于菌群中的一个亚组。另一研究组也发现，突变不限于有关基因。细菌在如何演变上是“机灵的，”罗森堡解释道。它们“启动完全不同寻常的突变机制，”以应付恶劣的条件。例如，它们激发不同的修复酶，促进DNA打乱重组。

不久前，这些观点会被看作异端邪说。但是，“我看，持这些观点的人将越来越多，”诺贝尔奖获得者、瑞士巴塞尔大学微生物学家沃纳 • 阿尔伯(Werner Arber)说。不论利用转座子产生变异、从根本上重组，抑或使一定的DNA片段频频突变，基因组表现出能独力应付变化着的环境，夏皮罗说，“细胞的能力，已远远超过我们所曾想象到的。”

 [Science，1998年8月21日]