大象,还有一些大型动物的癌症发病率要低于预估统计数字,这在一定程度上意味着这些大型动物已经发展出了能让自己免遭这种疾病侵扰的方法。一项新的研究揭示了大象是如何做到这一点的:一个不再具有功能性的古老基因从庞大的“基因组垃圾场”中被回收再利用,提高大象细胞对DNA损伤的敏感性,使它们能够尽早地将潜在的癌细胞剔除。
在多细胞动物中,细胞会经历多次生长和分裂周期。每次分裂,细胞会对整个基因组进行复制,但很难完全避免少数错误的出现,而其中的一些错误导致的突变可能会引发癌症。一般人们认为体积较大、寿命较长的动物会有更高的患癌风险。但当研究人员比对不同身材尺寸物种的患癌率时,发现事实并不是这样:癌症的发生率似乎与生物的细胞数目或其生命长度无关。事实上,研究更大更长寿的哺乳动物的癌症病例更少。
现任牛津大学医学统计学和流行病学的教授Richard Peto,早在1970年代就详细阐明了这一令人惊讶的现象,因而这一现象也被称为皮托悖论(Peto's paradox)。像大象等大型动物不具有高癌症发病率的事实,表明它们已经进化出了特殊的癌症抑制机制。
2015年,犹他大学医学院的Joshua Schiffman和亚利桑那州立大学的Carlo Maley研究发现,大象基因组中有约20多个额外的p53的基因副本。p53是一种典型的肿瘤抑制基因,因此他们继而认为,这些多余的p53基因副本或许是强化大象癌症抑制力的原因(至少部分原因)。
目前,犹他州医学院的一位细胞生物学家Lisa M. Abegglen正领导她的科研小组进行一个项目,以确定p53的基因副本是否还具有其他功能。
然而,额外的p53基因副本并不是大象唯一的保护来源。芝加哥大学的遗传学家Vincent Lynch在他最新的研究中发现,大象及其体型较小的近亲(如蹄兔,犰狳和土豚)还有LIF基因的副本。LIF基因编码的是白血病的抑制因子。这意味着蛋白能通常参与生育和繁殖,并刺激胚胎干细胞的生长。
Lynch发现,LIF的11个副本彼此不同,且都不完备:它们都至少缺少编码蛋白的最初信息块,也没有用以调节基因活性的启动子序列。Lynch认为这些不足之处使得这些基因副本没有一个能行使LIF基因的正常功能,甚至不能被细胞表达。但当Lynch在对细胞内进行观察时,他在至少一个LIF6的基因副本里找到了RNA转录体,这表明有一个启动子序列来将它打开。
确实,Lynch和他的合作者在基因组的LIF6基因上游的几千个碱基处,发现了一个看起来像是p53蛋白结合位点的DNA序列。Lynch和他的研究团队猜想p53(不包括p53的任何副本)或许能调节LIF6的表达。随后,他们在大象细胞上进行的实验,也证实了这种猜测。
为了研究LIF6在做什么,研究人员阻断了它的活性,并让细胞受制于DNA的损伤情况。结果是细胞变得不太能通过程序性细胞死亡过程来毁灭自我。而这种自我毁灭过程其实是一种质量控制机制,有机体常常通过它来剔除有缺陷的组织。因此,LIF6似乎有助于根除潜在的恶性细胞。进一步的实验表明,LIF6通过在线粒体周围的膜上制造漏洞来触发细胞死亡。
为了更多地了解LIF的进化史以及它的基因副本,Lynch在与其密切相关的物种基因组中发现了它们的对应物:海牛、蹄兔和已经灭绝的猛犸象和乳齿象。据他分析表明,在大象的谱系演化过程中,LIF基因被复制了17次,受损伤14次。蹄兔和海牛都有LIF副本,但只在仍存在的以及已灭绝的象族身上才出现了p53的副本,这表明LIF的复制发生在进化早期。
Lynch发现,LIF基因的大部分副本都是假基因(pseudogenes)——它们是既古老、又有突变,还无用的基因副本,只是偶然存在于基因组中。然而,LIF6基因序列是个例外,它不同于其他基因序列,并没有积累随机突变,这意味着它受到了自然选择的保护。Lynch说:“我们认为LIF6是一种被重新启用功能的假基因。”也就是说,大象的LIF6是从假基因祖先中重新进化的成功基因。
因为它在细胞死亡中发挥作用,因此Lynch称之为“僵尸基因”。
虽然海牛和蹄兔也有额外的LIF基因副本,但只有现代和已灭绝的大象才有LIF6基因序列,这表明只有在大象从这些近亲物种中分化出去之后,LIF6才得以进化。当Lynch的研究小组利用分子钟方法追溯LIF6的起源时,发现假基因会重新获得一种约3千万年前的功能,化石记录显示当时大象的身体尺寸正在变大。
耶鲁大学的进化生物学家Stephen Stearns解释说:“假基因的再功能化并不是常有的事。这或许表示基因的再功能化是进化出大尺寸的先决条件。”不断演化的抗癌保护似乎符合所有动物的利益,那为什么不是所有动物都具有再功能化的LIF6基因呢?据研究人员解释,这是因为这种保护是伴随风险的。LIF6可以抑制癌症,但是额外的LIF6基因副本若被意外打开,则会杀死其他细胞。
Lynch在一个采访中说道:“基因组中存在着一批伺机而行的有毒假基因,一旦它们被不恰当地表达,那基本就意味着游戏结束。”
此外,癌症抑制机制和生育率之间似乎也存在折衷。2009年发表的一项研究表明,LIF对胚胎植入子宫至关重要。因为LIF活性受p53控制,因此LIF和p53会共同调节生殖效率。当同一组基因具有两种功能(如繁殖和癌症抑制)时,那么很可能这些功能间会出现直接冲突,这种现象被遗传学家称之为拮抗基因多效性(antagonistic pleiotropy)。
据Maley介绍,大象可能是通过复制p53和LIF基因,再分离它们的功能来解决拮抗基因多效性的问题。他说:“一部分p53和LIF的基因副本做的是生育所需要的,而其他的LIF和p53的功能是抑制癌症所需要的。这种基因复制或许能允许大象在抑制癌症方面做得更好,并仍保持其生育能力,这将使它们能够生长出一个更大的身体。”但Maley也说,这还只是个假设,仍需进行更多研究才能得以确认。
不断演化的p53和LIF的多余副本可能帮助大象克服了皮托悖论,但这不是唯一的解决方案:其他大型动物如鲸鱼只有一个p53基因的副本,以及一种LIF基因。Lynch和他的团队正在研究鲸鱼和蝙蝠如何解决皮托悖论的。蝙蝠的体型虽然不大,但它们的寿命可达30年之久,而寿命较长的蝙蝠可能已经演化出了寿命较短的蝙蝠所不具有的癌症抑制机制。
Maley也在研究鲸鱼是如何克服皮托悖论的。尽管鲸鱼没有多余的p53复本,但他说:“我们认为在p53途径中的基因已经有了很多的选择和进化。”Maley认为,研究大型动物是如何解决皮托悖论的,或许能在人类健康中有所应用。他说:“这是我们最终的目标。希望能通过找到进化预防癌症的方法,更好的为人类提供癌症预防措施。”
Maley表示:“每一个进化出庞大身材的生物,可能都有不同的方案来应对皮托悖论。自然界中存在大量的线索正等待我们去发现,它们能指引我们找到预防癌症的方法。”