趣談基因相似性：你和豬之間只差十條蚯蚓？

劉柏岐

“你真是頭豬”這句經(jīng)常作為朋友之間調(diào)侃的話，近些年來被越來越多的科學(xué)研究證明可能真有幾分道理。科學(xué)家將豬的基因組與人的基因組進(jìn)行相似性比對后發(fā)現(xiàn)，它們之間有極高的相似性。也就是說，人和豬確實“共享”了很多基因。生物基因組間的相似與不同構(gòu)成了千姿百態(tài)的生物界，難解的DNA編碼猶如天書一般，讓物種的命運從出生時就被注定。

在動植物界，有很多物種與人類的基因組存在相似性。這其中既有黑猩猩一類靈長目近親，也有酵母、香蕉等與人類完全不搭界的物種。有哪些物種的基因組與人類基因組相似性較高？這種相似性產(chǎn)生的原因是什么？研究不同物種間的基因相似性又有什么用呢？

與人類“相似”的那些物種

黑猩猩

黑猩猩是目前與人類基因組相似程度最高的動物。研究表明，黑猩猩的基因組與人類基因組的相似性為98. 6%～99 %。從形態(tài)特征以及生殖過程來看，黑猩猩都很接近人類，基因組有很高的相似性也不足為奇。進(jìn)化基因組學(xué)的研究顯示，人類的祖先與黑猩猩的祖先在500萬～600萬年前分開，各自進(jìn)化成了現(xiàn)在的形態(tài)。

靈長目其他物種也與的人類的基因組相似性極高。例如，大猩猩與人的相似性達(dá)到98%，紅毛大猩猩達(dá)到97%。除此以外，各種猴乃至狐猴都與人“共享”了90%以上的基因。

貓

目前的研究表明，貓和人類的基因組相似性高達(dá)90%，這也從一個側(cè)面反映出貓的智慧程度可能超過我們對它們的固有印象。人類對貓的馴化發(fā)生在大約1萬年前，而且可能是貓主動將自己委身于這種共生關(guān)系中。證據(jù)顯示，當(dāng)時的野貓以捕獵田鼠作為交易籌碼接近人類，從而獲取一點額外的蛋白質(zhì)和食物。

奶牛

是的，你沒有看錯，我們的基因組跟奶牛的也有80%左右的相似性，這一數(shù)據(jù)甚至高于與我們擁有更近共同祖先的嚙齒類?？茖W(xué)家給出的解釋是，嚙齒類更小的體形催生了更短的繁殖周期和更強(qiáng)的繁殖能力，從而使得種群的演化能力和基因突變進(jìn)程大大加速。

小鼠

如果只比較蛋白質(zhì)編碼基因，小鼠有85%的基因與人類相似，但將人類和小鼠的非編碼RNA進(jìn)行比較，只有50%具有相似性?？茖W(xué)家估計，小鼠的祖先和人類的祖先大約在8000萬年前分開，各自進(jìn)化。小鼠作為目前科學(xué)研究中最常用的模式動物，與人類基因組相似性較高是很重要的原因。

果蠅

看似跟人類體形差距極大、外貌特征完全不一樣的果蠅，與人類基因組的相似性居然有60%。可能很多人不敢相信，但基因組比對的結(jié)果確實證明了人類體內(nèi)有一半以上的基因跟果蠅是相似的。

雞

雞的生殖方式跟哺乳動物完全不同。盡管在繁殖后代上存在著巨大的差異，但基因組比對的結(jié)果顯示，雞的體內(nèi)依然有60%的基因與人類相似。

香蕉

盤點中唯一一種植物出現(xiàn)了，它就是香蕉！一種連動物都不是的生物，居然跟人類的基因有50%的相似性。雖然不可思議，但從生物學(xué)角度來說，確實也有合理的解釋，我們將會在后文詳細(xì)介紹。

酵母

酵母是一種單細(xì)胞真菌，因為在生物學(xué)實驗中經(jīng)常會用到，所以有人將它的基因組與人的基因組進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種單細(xì)胞生物依然有26%的基因與人類相似。盤點中為何沒有常見的其他動物

不少常見動物在盤點中缺席，并不代表在自然界中與人類基因組相似的生物只有這8種。這8種生物之所以在列，是因為人類已經(jīng)完成了對它們的基因組測序，而且有科學(xué)家完成了比對工作。

全基因組測序費時、費力、費錢，所以目前完成全基因組測序的大多屬于有科研價值以及有經(jīng)濟(jì)價值的生物。例如，澳大利亞考拉在2018年剛完成全基因組測序，考拉每年為澳大利亞帶來10億美元的直接經(jīng)濟(jì)收益，而且為世界人民所喜愛，擁有自己的基因圖譜想來也不過分。

自然界中必然還存在很多跟人類基因組非常相似的物種，只不過因為沒有完成全基因組測序，沒有辦法進(jìn)行相似性比對，具體的相似性數(shù)據(jù)不為人類所知罷了。

相似性比較的標(biāo)準(zhǔn)是什么

上面提到的基因組相似性，大多數(shù)指的是編碼蛋白質(zhì)基因的相似性。但在人類染色體中，編碼基因只占整個DNA序列的1. 5%-2%，也就是說，其他98%的區(qū)域并沒有用來進(jìn)行相似性比較。

為什么只比對這么少的區(qū)間就能說兩個物種存在相似性呢？這是因為在生物體內(nèi)發(fā)揮功能的基因大多數(shù)是這些編碼基因，其他非編碼區(qū)域被認(rèn)為是“垃圾區(qū)域”。因此，僅僅比較這些編碼蛋白的基因序列，就可以判斷不同物種之間相似性的大小了。

然而，隨著科學(xué)家對染色體認(rèn)識的加深，近些年發(fā)現(xiàn)這些“垃圾區(qū)域”也會通過轉(zhuǎn)錄出非編碼RNA或者染色體折疊的方式，間接影響細(xì)胞的生理活性。因此，目前的比對結(jié)果還不夠精確，相信隨著我們對生命運行規(guī)律的不斷解讀，將會得到更加科學(xué)的結(jié)果。

香蕉憑什么有50%的相似性

為什么像香蕉、果蠅、雞、酵母這些跟人類天差地別的生物，還依然有較大的相似性呢？

首先，我們從生物體基本構(gòu)成的角度來解釋這個問題。不管是酵母、香蕉、果蠅還是雞，都屬于真核生物，而真核生物都是由真核細(xì)胞構(gòu)成的。所有的真核細(xì)胞都具有以下幾個特點：具有由染色體、核仁、核液、雙層核膜等構(gòu)成的細(xì)胞核;有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、溶酶體、線粒體等細(xì)胞器;有發(fā)達(dá)的細(xì)胞骨架系統(tǒng)：轉(zhuǎn)錄方式基本一致;等等。

盡管這些不同的物種外貌差別很大，但從細(xì)胞水平來看，基本結(jié)構(gòu)都是相似的。由于這些基本結(jié)構(gòu)的形成是由基因決定的，所以也就不難理解為什么植物和微生物還能跟人類的基因組有一定的相似性了。

其次，也可以從生物進(jìn)化的角度來解釋。不管是動植物還是微生物，最初都是由共同祖先進(jìn)化而來的。所以，不同生物之間或多或少都遺留著共同祖先的一些基因特征。

隨著各物種向不同的方向進(jìn)化，基因之間的差異也就越來越大。這也是為什么上述幾種生物中，黑猩猩與人類基因組的相似性最高，而酵母與人類基因組的相似性最低了。

跨物種基因比對有何意義

隨著越來越多物種全基因組測序的完成，我們還會發(fā)現(xiàn)更多跟人類基因組相似的動植物。實際上，比對差異很大的物種的娛樂效果超過實際意義。但對進(jìn)化角度上親緣關(guān)系較近的物種進(jìn)行類似的基因比對研究，是目前進(jìn)化基因組學(xué)最有力的研究手段。

通過基因比對，可以厘清不同近緣生物的親緣關(guān)系，確定它們種間分化發(fā)生的大致時期，把握物種演化的脈絡(luò)，等等。

地球上的現(xiàn)存生物雖然各自經(jīng)歷了億萬年的進(jìn)化歷程，但都可以追溯到共同的祖先，從這個角度來說，與香蕉擁有50%的共同基因其實不值得我們大驚小怪。

（責(zé)任編輯：白玉磊）