科学家发现新的进化模式

深蓝色的畅想

进化，又称演化（evolution），指的是生物的可遗传性状在世代间的改变，操作定义是种群内基因频率的改变。基因在繁殖过程中，会经复制并传递到子代。而基因的突变可使性状改变，进而造成个体之间的遗传变异。新性状又会因为物种迁徙或是物种之间的水平基因转移，而随着基因在种群中传递。当这些遗传变异受到非随机的自然选择或随机的遗传漂变影响，而在种群中变得较为普遍或稀有时，就是进化。进化会引起生物各个层次的多样性，包括物种、生物个体和分子 。


自20世纪20年代以来，形成了这样一个进化理论，建立在基因突变理论基础之上，形成普遍适用于生物学任何分支的统一理论。也就是说，进化和自然选择发生在DNA层面，随着基因的变异和遗传特性随时间推移而进化。


但是现在，科学家发现了一种不依赖DNA的自然选择形式，科学家们认为进化可能会在整个其它尺度上发生，而不是通过基因，而是通过粘附在其表面的分子传递。

这些被称为甲基的分子会改变DNA的结构，并可以打开和关闭基因。甲基（英语：Methyl group），指一种和甲烷对应的疏水性烷基官能团，化学式为-CH3。甲基常见于许多的有机化合物中，多半是相当稳定的官能团。甲基多半是较大化学分子中的一部分。

遗传不是通过基因，而是通过粘附在其表面的分子传递，这样的改变被称为“表观遗传修饰”（epigenetic modifications）。这意味着它们出现在基因组的“上方”或“顶部”。

表观遗传学（Epigenetics），其字面意思是遗传学“之上”，是指对DNA的外部修饰，可以使基因“打开”或“关闭”。这些修饰不会改变DNA序列，而是会影响细胞“读取”基因的方式。


表观遗传学改变改变了DNA的物理结构。表观遗传变化的一个例子如DNA甲基化，在DNA分子的一部分上添加甲基或“化学帽”，这阻止了某些基因的表达。另一例子如组蛋白修饰。组蛋白是DNA包裹的蛋白质。 如果组蛋白紧紧挤压DNA，则细胞将无法“读取” DNA。放松组蛋白的修饰可以使DNA被“读取”基因的蛋白质所接近。

表观遗传学是皮肤细胞看起来不同于脑细胞或肌肉细胞的原因。所有三个细胞都包含相同的DNA，但是它们的基因表达不同（“打开”或“关闭”），从而产生了不同的细胞类型。

另一生物，即新型隐球菌酵母，也在白垩纪约50至1.5亿年前的某个时期丢失了甲基化的关键基因。但值得注意的是，以目前的形式，这种真菌在其基因组上仍然具有甲基。

这一最新研究发现发表在最近的《细胞》杂志上，由于新发现的进化模式，科学家们认为新孢梭菌能够继续进行表观遗传编辑长达数千万年。


研究人员开初并未期望揭示进化的秘密。该小组通常研究新孢梭菌，以更好地了解酵母如何导致人类真菌性脑膜炎。这种真菌易于感染免疫系统较弱的人，并导致所有与艾滋病毒/艾滋病相关的死亡中约有20％死亡。研究人员花了很多时间来研究新孢梭菌的遗传密码，寻找帮助酵母菌入侵人类细胞的关键基因。但是，当有报道称遗传物质带有甲基时，研究小组感到惊讶。

科学家们研究了现有的进化树，以追踪随着时间变化的新孢子虫的历史，发现在白垩纪，酵母的祖先同时具有DNA甲基化所需的两种酶。但是沿着这条线的某个地方，新孢子虫失去了进行从头甲基转移酶所需的基因。没有这种酶，生物就无法再向其DNA添加新的甲基-它只能使用其维持酶复制现有的甲基。

从理论上讲，即使单独工作，维持酶也可以无限期地将DNA覆盖在甲基中，如果它每次都能产生完美的拷贝。研究小组发现，实际上，每次细胞分裂时，这种酶都会犯错并失去对甲基的追踪。当在培养皿中培养时，新孢梭菌细胞偶尔会偶然获得新的甲基，这与DNA中随机突变的产生相似。然而，细胞失去甲基的速度比获得新细胞快约20倍。


研究小组估计，在大约7500代内，每个最后一个甲基都将消失，从而使维持酶无法复制。考虑到新孢梭菌的繁殖速度，酵母应该在大约130年内失去了所有甲基。相反，它保留了数千万年的表观遗传编辑。

在新孢梭菌中，许多谜团仍然围绕着DNA甲基化。根据2008年的一项研究，除了在DNA链之间复制甲基外，维持甲基转移酶似乎在酵母如何引起人类感染方面也很重要。没有完整的酶，生物就无法有效地侵入细胞。

该酶还需要大量的化学能才能起作用，并且只能将甲基复制到复制的DNA链的空白部分上。相比之下，根据所发布的报告，其他生物体中的同等酶不需要额外的能量即可发挥功能，有时甚至可以与裸露的DNA相互作用，不含任何甲基基团。进一步的研究将准确揭示甲基化在新孢子虫中的作用，以及这种新发现的进化形式是否出现在其他生物中。