我們?yōu)楹螞](méi)有尾巴？大腦為何如此發(fā)達(dá)？

人類從何而來(lái)？重要的線索可能藏在基因里。

2018年，我國(guó)科學(xué)家牽頭發(fā)起靈長(zhǎng)類基因組計(jì)劃，來(lái)自中、美、德、英等國(guó)的100多位科學(xué)家參與其中。

不久前，《科學(xué)》雜志以?？问桨l(fā)表了8篇靈長(zhǎng)類基因組計(jì)劃的研究論文。靈長(zhǎng)類基因組計(jì)劃的最新成果是什么？有什么重大意義？靈長(zhǎng)類基因組計(jì)劃發(fā)起人之一、浙江大學(xué)生命演化研究中心教授張國(guó)捷專門(mén)為半月談?dòng)浾咦髁酥v述。

奇妙發(fā)現(xiàn)迭出

靈長(zhǎng)類基因組由中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所和浙江大學(xué)生命演化研究中心2018年?duì)款^發(fā)起，該計(jì)劃的目標(biāo)，是分3個(gè)階段繪制出地球上已知520多種靈長(zhǎng)類動(dòng)物的基因圖譜。

“人類和黑猩猩的基因序列的相似度很高，差異只有2%。人與黑猩猩起源于共同祖先，這些差異主要在物種分化之后形成。我們基因組上的絕大部分區(qū)域可以回溯到早先靈長(zhǎng)類不同時(shí)期的共同祖先。我們的目標(biāo)是希望追蹤到靈長(zhǎng)類演化歷史過(guò)程中哪些決定性的時(shí)刻發(fā)生了對(duì)人類性狀有重要影響的變化。”張國(guó)捷告訴半月談?dòng)浾摺?/p>

張國(guó)捷在研究黑猩猩頭骨

在張國(guó)捷看來(lái)，這一計(jì)劃不僅有助于我們回答人類起源問(wèn)題，也能讓我們更好地認(rèn)識(shí)自身身體結(jié)構(gòu)特征的演變。

在靈長(zhǎng)類基因組計(jì)劃公布的最新一批成果中，科學(xué)家們有一系列奇妙發(fā)現(xiàn)。

大腦曾在靈長(zhǎng)類多個(gè)演化節(jié)點(diǎn)快速變大，一些與之相關(guān)的基因在靈長(zhǎng)類的演化歷程中受到了很強(qiáng)的自然選擇的影響，功能得以特異性強(qiáng)化。這些基因在現(xiàn)代人群里一旦發(fā)生紊亂，往往會(huì)導(dǎo)致大腦疾病的產(chǎn)生。

尾巴是很多動(dòng)物的標(biāo)志性特征之一，尤其是對(duì)于一些動(dòng)作靈敏的靈長(zhǎng)類物種，長(zhǎng)短不一的尾巴能夠幫助它們穩(wěn)定身體，轉(zhuǎn)向和控制速度。然而，包括人類在內(nèi)的猿類物種失去了尾巴，這也成為其重要體征。研究表明，該現(xiàn)象可能與特定基因調(diào)控序列的突變有關(guān)。

群居生活及相應(yīng)社會(huì)行為的演變，是靈長(zhǎng)類研究的重點(diǎn)之一，科學(xué)家對(duì)包括金絲猴在內(nèi)的亞洲葉猴進(jìn)行了自然史重建和基因組比較研究，發(fā)現(xiàn)寒冷氣候是推動(dòng)它們性情變溫和，產(chǎn)生復(fù)雜社會(huì)群體結(jié)構(gòu)的重要因素。

凡此種種，靈長(zhǎng)類基因組講述的故事，剛剛開(kāi)篇。

多重應(yīng)用潛力

靈長(zhǎng)類基因組計(jì)劃的另一重雄心，是盡可能充分了解我們身上每個(gè)基因、每個(gè)堿基的演化過(guò)程和變異模式，為理解人類創(chuàng)新性狀和疾病發(fā)生的機(jī)制提供參照。

在本次研究中，長(zhǎng)于人工智能的合作團(tuán)隊(duì)利用采集到的靈長(zhǎng)類動(dòng)物基因數(shù)據(jù)集，訓(xùn)練了一個(gè)名為Primate AI-3D的人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為解釋人類基因變異的致病性找到新方法。

“我們能夠利用這些靈長(zhǎng)類的遺傳多樣性信息來(lái)反推潛在的人類疾病致病位點(diǎn)?！睆垏?guó)捷說(shuō)，目前，罕見(jiàn)病的致病原因或致病位點(diǎn)往往難于發(fā)現(xiàn)，因?yàn)楹币?jiàn)變異只可見(jiàn)于人群很少數(shù)個(gè)體。

自然選擇傾向于淘汰掉導(dǎo)致嚴(yán)重疾病的變異。根據(jù)這個(gè)原則，研究者可以對(duì)基因變異“打分”，如果人類基因變異的位點(diǎn)也頻繁出現(xiàn)在其他靈長(zhǎng)類物種中，那么它大概率不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病。同理，如果這個(gè)變異是過(guò)去就發(fā)生且長(zhǎng)期存在的，對(duì)于現(xiàn)代人類來(lái)說(shuō)，它也不太可能會(huì)造成威脅。

張國(guó)捷在標(biāo)本庫(kù)，身邊標(biāo)本為紅毛猩猩骨架

今天，非人靈長(zhǎng)類廣泛用作醫(yī)學(xué)研究的動(dòng)物模型。一些發(fā)生在人類大腦中的神經(jīng)疾病，如自閉癥、阿爾茨海默癥、帕金森病等，在小鼠身上難以復(fù)現(xiàn)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)猴進(jìn)行誘導(dǎo)或者基因編輯，能夠構(gòu)建可以產(chǎn)生近似人類疾病的動(dòng)物模型，對(duì)我們而言更具有參考價(jià)值。

靈長(zhǎng)類基因組計(jì)劃還能為現(xiàn)有生物保護(hù)策略提供指導(dǎo)。張國(guó)捷介紹，基因組研究可以提高保護(hù)生物學(xué)的預(yù)見(jiàn)性。“有很多物種沒(méi)有被列為瀕危物種，但藉由基因組信息可以發(fā)現(xiàn)，它們的遺傳多樣性已經(jīng)非常低了，這就值得我們對(duì)其采取保護(hù)措施?！?/p>

未來(lái)在于合作

1953年，英國(guó)科學(xué)家弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)——由含有四種堿基的脫氧核苷酸連接而成的長(zhǎng)鏈。這4個(gè)“字母”排列組合構(gòu)成所有物種基因組的“生命之書(shū)”。

1990年10月，被譽(yù)為生命科學(xué)“阿波羅登月計(jì)劃”的國(guó)際人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)。1999年9月，中國(guó)加入人類基因組計(jì)劃，負(fù)責(zé)測(cè)定全部序列的1%。

如今回頭看這1%，意義非凡。1%項(xiàng)目不僅使我們得以搭建一個(gè)重要的基礎(chǔ)科學(xué)平臺(tái)，也在整體上提高了我們的研究創(chuàng)新能力。

從這1%起步，中國(guó)基因研究技術(shù)從追趕邁向并跑，并在測(cè)序儀的研制和量產(chǎn)以及生物信息學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)等方面逐漸走入全球第一梯隊(duì)。

“如今國(guó)內(nèi)基因組學(xué)技術(shù)之所以發(fā)展如此蓬勃，很大程度是由于我們盡早參與到了1%的項(xiàng)目，在參與人類基因組計(jì)劃中收獲了很多基因組研究經(jīng)驗(yàn)。”張國(guó)捷說(shuō)。

走進(jìn)浙江大學(xué)生命演化研究中心，靈長(zhǎng)類基因組計(jì)劃的研究人員正利用超算平臺(tái)，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行基因組比對(duì)和分析。目前，靈長(zhǎng)類基因組計(jì)劃已經(jīng)產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)規(guī)模，相當(dāng)于數(shù)百萬(wàn)部電影。

“我們更關(guān)心大尺度的宏觀演化歷史，通過(guò)對(duì)不同演化階段形成的物種開(kāi)展比較研究，可以讓我們更充分地理解物種是如何起源、如何適應(yīng)新的環(huán)境，甚至產(chǎn)生創(chuàng)新性狀等。足夠的數(shù)據(jù)是我們研究的重要前提?！睆垏?guó)捷說(shuō)。生命演化，是全人類共同的課題。靈長(zhǎng)類基因組計(jì)劃盡可能廣泛地研究全球靈長(zhǎng)類動(dòng)物的基因圖譜，這也需要更多不同學(xué)科背景的國(guó)際合作者加入，共同解讀這部瑰麗的“天書(shū)”。

半月談?dòng)浾撸褐旌▍⑴c采寫(xiě)：郭千塵）/編輯：范鐘秀

責(zé)編：秦黛新 / 校對(duì)：張子晴

原標(biāo)題《我們?yōu)楹螞](méi)有尾巴？大腦為何如此發(fā)達(dá)？

靈長(zhǎng)類基因組計(jì)劃：讀懂“生命之書(shū)”》