做一个人有多少基因?神经元的简单构建块一起产生巨大的复杂性。 UCI研究/阿迪·拉赫曼, CC BY-NC

我们人类喜欢把我们自己看成是地球上所有其他有生命的东西。 生命已经从简单的单细胞生物发展到超过三十亿年,并演变成各种形状,大小和能力的多细胞植物和动物。 除了日益增长的生态复杂性之外,在生活史上,我们还看到了情报,复杂社会和技术发明的演变,直到我们今天到达在35,000飞往世界各地的人们讨论飞行中的电影。

把生命的历史视为进步是很自然的 从简单到复杂,并期待这反映在基因数量的增加。 我们以自己卓越的智慧和全球统治力为导向, 我们的期望是,因为我们是最复杂的生物,所以我们拥有最复杂的一组基因。

这种假设似乎是合乎逻辑的,但越来越多的研究人员发现各种基因组越多,似乎就越有缺陷。 大约半个世纪前,人类基因的估计数量是数百万。 今天我们来谈谈20,000。 我们现在知道,例如,香蕉,与他们的 30,000基因,比我们拥有更多的50基因。

随着研究人员设计新的方法来计算有机体所具有的基因,而且还有其多余的基因,在我们一直认为最简单的生命形式 - 病毒 - 和最复杂的 - 我们。 现在是时候重新思考一个有机体的复杂性如何反映在其基因组中的问题。


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基因编号一个人与一个巨型病毒的基因估计数量趋同。 人类线显示用虚线表示估计的所需基因数量的平均估计值。 显示的病毒编号是针对MS2(1976),HIV(1985),来自2004的巨型病毒和4中的平均T1990编号。 肖恩·尼, CC BY

计算基因

我们可以将我们所有的基因一起想象成食谱中的食谱。 它们写在DNA碱基的字母里,缩写为ACGT。 这些基因提供了如何和何时装配你所制造的蛋白质,并执行你身体内所有生命功能的指导。 一个 普遍 基因需要约1000字母。 再加上环境和经验,基因对我们是什么和我们是谁负责 - 所以知道有多少基因加起来就是一个整体。

当我们谈论基因的数量时,我们可以显示病毒的实际计数,但是只有人类的估计是一个重要的原因。 一 挑战 计数中的基因 真核生物 - 包括我们,香蕉和像念珠菌一样的酵母 - 就是我们的基因不像鸭子排成一排。

我们的基因食谱的排列方式就好像食谱的页面已经全部被撕掉了,并混杂着三十亿其他字母, 50 percent 其中实际上描述了灭活,死亡的病毒。 所以在真核生物中,很难计算具有重要功能的基因,并将它们与外来的基因分开。

相比之下,计算病毒中的基因 - 和细菌,可以有 10,000 基因 - 相对容易。 这是因为基因的原材料 - 核酸 - 对于小生物来说是相对昂贵的,所以有很强的选择来删除不必要的序列。 事实上,病毒的真正挑战是首先发现它们。 这一切令人吃惊 重大病毒发现包括艾滋病病毒,都没有通过测序来完成,而是通过旧的方法,如放大视觉和观察形态。 继续前进 在分子技术方面已经教会我们非凡 病毒的多样性,但只能帮助我们计算我们已经知道存在的东西的基因。

蓬勃发展,甚至更少

我们实际需要健康生活的基因数量甚至可能低于目前对我们整个基因组中20,000的估计。 最近一项研究的一位作者合理地推断了人类必需基因的数量 可能要低得多.

这些研究人员看着成千上万的健康成人, 寻找自然发生的“敲除” 其中特定基因的功能不存在。 我们所有的基因都有两个拷贝 - 每个父母一个。 通常情况下,一个主动副本可以补偿,如果另一个是无效的,很难找到人 拷贝失活,因为失活的基因是天然罕见的。

敲除基因相当容易用实验室大鼠进行研究,使用现代基因工程技术灭活我们选择的特定基因的两个拷贝,或者甚至完全去除它们,并且看看会发生什么。 但是人类研究要求21st世纪医学技术和已知谱系适合于所需的遗传和统计分析的居住在社区的人群。 冰岛人是一个有用的 人口,而这个研究的巴基斯坦人是另外一个。

这项研究发现700基因可以被淘汰,而没有明显的健康后果。 例如,一个令人惊讶的发现是PRDM9基因 - 在小鼠的生育能力中起着至关重要的作用 - 也可以在没有不良影响的人群中被敲除。

外推人类基因敲除研究的分析 导致估计 只有3,000人类基因实际上需要建立一个健康的人类。 这与基因数量在“巨型病毒设立的区域办事处外,我们在美国也开设了办事处,以便我们为当地客户提供更多的支持。“ Pandoravirus,从30,000的2014年龄的西伯利亚冰中恢复,是目前已知的最大的病毒 有2,500基因.

那么我们需要什么基因? 我们甚至不知道四分之一的人类基因实际上做了什么,这是先进的 相比于我们对其他物种的了解.

复杂性来自非常简单

但是不管最终的人类基因是20,000还是3,000还是别的什么,关键在于理解复杂性时,大小并不重要。 至少在两种情况下,我们已经知道了很长一段时间,并且刚刚开始理解第三种情况。

阿兰·图灵,数学家和 二战编码断路器 建立了多细胞发育的理论。 他研究了简单的数学模型,现在称为“反应 - 扩散”过程,其中少数化学品 - 在图灵模型中只有两个 - 扩散并相互作用。 用简单的规则来管理他们的反应,这些模型 可靠地生成 非常复杂而又连贯的结构 很容易看到。 所以植物和动物的生物结构不需要复杂的编程。

同样,很明显, 100兆连接 在人脑中,真正使我们成为我们的人,不可能单独地被遗传编程。 该 最近人工智能的突破 基于 神经网络; 这些是大脑的计算机模型,其中与神经元相对应的简单元素通过与世界交互建立自己的连接。 该 结果很壮观 在手写识别和医疗诊断等应用领域,Google已经邀请公众来 玩游戏观察梦想 的认可机构。

微生物超越了基础

所以很明显,单个细胞对于大量细胞不需要非常复杂而产生非常复杂的结果。 因此,人类基因数量可能与单细胞微生物(如病毒和细菌)的大小相同,这不应该让人感到惊讶。

令人吃惊的是相反的事情 - 微小的微生物可以拥有丰富而复杂的生命。 有一个越来越多的研究领域 - 被称为“sociomicrobiology“ - 检查微生物的非常复杂的社会生活,与我们自己的比较起来。 我自己的贡献 对这些地区关心给这个看不见的肥皂剧的病毒适当的地方。

在过去的十年中,我们已经意识到微生物在90生命中所占的比例超过了XNUMX 生物膜,这可能最好被认为是生物组织。 事实上,许多生物膜有系统的 电气通讯 细胞之间,如脑组织,使他们成为研究脑部疾病,如偏头痛和癫痫的模型。

生物膜也可以被认为是“微生物城市和“的融合 sociomicrobiology 和医学研究是 进展迅速 在许多领域,如治疗囊性纤维化。 该 微生物的社会生活 在这些城市中 - 与合作,冲突,真相,谎言甚至是完全一致 自杀 - 正在迅速成为21st世纪进化生物学的主要研究领域。

正如人类的生物学变得比我们想象的那样鲜明,微生物的世界变得更有趣了。 基因的数量似乎没有任何关系。

关于作者

Sean Nee,生态系统科学与管理研究教授, 美国宾夕法尼亚州立大学

这篇文章最初发表于 谈话。 阅读 原创文章.

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