冰天雪地里的生存秘诀，鱼类“防冻衣”的进化之谜

研究人员发表关于新基因如何进化的突破性研究

新基因从何而来？阿尔伯塔大学生物科学研究小组在一项新研究中试图解答这个问题。

他们通过研究鱼类抗冻蛋白的进化来做到这一点——抗冻蛋白是一种重要的适应性适应，通过将抗冻蛋白与冰晶结合来防止结冰，使鱼类能够在冰冻的水中生存。

研究小组在三种不相关的鱼类谱系中研究了这些蛋白质，发现了令人惊讶的结果。虽然每个谱系中的蛋白质在功能和结构上相似，但它们是从不同的遗传来源独立进化而来的。这种现象被称为趋同进化，代表了蛋白质序列趋同的罕见情况。它证明了相同的适应性特征——甚至几乎相同的蛋白质序列——是如何通过完全不同的进化轨迹产生的。

该研究提供了导致新基因诞生的不同进化机制的具体例子。

研究结果表明，新基因可以通过重新利用祖先基因片段并整合全新的编码区（DNA 的蛋白质编码部分）来形成。这一创新概念弥补了非编码区形成全新基因与更传统的模型（新功能可能来自重复基因）之间的差距。

简而言之，这篇文章主要研究了不同鱼类物种中，功能几乎相同的抗冻蛋白是如何独立演化出来的。研究者们发现，虽然这些鱼类在进化树上相距甚远，但它们的抗冻蛋白却具有高度相似性。这表明，在漫长的进化过程中，不同物种的基因可以独立地产生相似的功能，这种现象被称为“趋同进化”。通过对这些抗冻蛋白的深入研究，科学家们为我们揭示了新基因的诞生和蛋白质序列趋同的进化机制，为我们理解生命的复杂性和多样性提供了新的视角。

参考文献：Nathan Rives, Vinita Lamba, C H Christina Cheng, Xuan Zhuang. Diverse Origins of Near-Identical Antifreeze Proteins in Unrelated Fish Lineages Provide Insights Into Evolutionary Mechanisms of New Gene Birth and Protein Sequence Convergence. Molecular Biology and Evolution, 2024; 41 (9) DOI: 10.1093/molbev/msae182

一、什么是抗冻蛋白？这些鱼类的抗冻蛋白是如何独立进化的？

抗冻蛋白（Antifreeze Proteins，AFPs）是一类由某些脊椎动物、植物、真菌和细菌产生的多肽。这些蛋白质能够结合到小的冰晶上，阻止冰的结晶化和晶体的生长，从而防止这些生物在零下温度环境下被冻结。通俗来讲，抗冻蛋白是一种能够降低生物体体液冰点的蛋白质，可以防止体液结冰，从而保证身体机能在低温下正常运转。

尽管不同鱼类生活在不同的环境中，它们都面临着类似的生存挑战——极寒环境中的冰晶形成。为了适应这些极端条件，鱼类独立地进化出了抗冻蛋白。这种现象被称为趋同进化，即不同物种在相似的环境压力下，独立地进化出相似的特征。

• 自然选择的压力： 生活在寒冷水域的鱼类，如果体液结冰，细胞就会破裂，导致死亡。因此，能够产生抗冻蛋白的个体具有更高的生存和繁殖优势，它们的基因就更有可能传递给后代。
• 环境的塑造： 寒冷的环境是驱动抗冻蛋白进化的主要动力。无论这些鱼类来自哪个物种，只要它们生活在相似的环境中，就面临着相似的选择压力，从而导致相似的适应性特征。

这些鱼类的抗冻蛋白是如何独立进化的？

不同鱼类的抗冻蛋白虽然功能相似，但它们的基因序列却存在差异。这说明这些蛋白质是独立起源的，是不同物种在适应寒冷环境的过程中，各自的基因发生了突变和选择的结果。

随机的基因突变为生物进化提供了原材料。一些基因突变可能产生具有抗冻功能的蛋白质，这些突变个体就更有可能存活下来。自然选择会保留那些有利于生存的性状，而淘汰那些不利于生存的性状。随着时间的推移，具有抗冻功能的基因频率会逐渐增加，最终形成稳定的遗传特征。虽然不同的基因突变产生了不同的抗冻蛋白，但这些蛋白质都具有相似的功能，即降低体液冰点。这种现象就是趋同进化。

抗冻蛋白的独立进化是生物适应环境的一个典型例子。它告诉我们，不同的物种在面临相似的环境挑战时，可能会进化出相似的性状。这种趋同进化现象为我们理解生物多样性的形成提供了新的视角。

二、新基因是如何从无到有产生的？

新基因的产生是一个复杂而有趣的生物学过程，它为生物进化提供了源源不断的动力。虽然我们对这个过程的了解还在不断深入，但目前已经有一些比较明确的机制。

新基因产生的主要途径包括基因复制、基因重组、反转录、从头产生等。

• 基因复制： 这是最常见的新基因产生方式之一。当一个基因发生复制时，其中一个副本可以保留原有的功能，而另一个副本则可以自由地积累突变，从而获得新的功能。
• 基因重组： 通过基因重组，不同基因片段可以重新组合，形成新的基因。这就像用积木搭出新的建筑一样，基因片段的重新组合可以产生具有全新功能的基因。
• 反转录： mRNA（信使RNA）可以被反转录酶逆转录成DNA，然后插入到基因组中，形成新的基因。这种方式产生的基因通常被称为逆转录基因。
• 从头产生： 虽然比较罕见，但有些基因可以直接从非编码DNA序列中产生。这些非编码序列经过突变和选择，逐渐获得了编码蛋白质的能力。比如有些鱼类的抗冻蛋白的产生。

新基因产生的分子机制包括突变、基因调控、蛋白质结构域的重组。

• 突变： 点突变、插入、缺失等各种类型的突变都可以改变基因的序列，从而改变其编码的蛋白质的结构和功能。
• 基因调控： 基因的表达受到复杂的调控，通过改变基因的调控序列，可以改变基因的表达时间、表达位置和表达水平，从而产生新的功能。
• 蛋白质结构域的重组： 蛋白质是由多个结构域组成的，不同的结构域具有不同的功能。通过结构域的重组，可以产生具有全新功能的蛋白质。

新基因的产生是一个动态而复杂的过程，涉及到多个分子机制。虽然我们已经取得了很大的进展，但仍有很多问题需要进一步研究。例如，我们还不完全了解新基因产生的频率和影响因素，也不清楚新基因如何整合到现有的基因网络中。

三、趋同进化是生物进化的普遍现象吗？

趋同进化（Convergent Evolution）是生物进化中的一个普遍现象。趋同进化指的是不同物种由于生活在相似的环境中，面对相似的选择压力，独立地演化出相似的形态或功能特征。

趋同进化的典型例子包括飞行能力、水生适应性、虑食性等。

• 飞行能力：昆虫、翼龙、鸟类和蝙蝠虽然亲缘关系疏远，但都独立地演化出了飞行的能力。
• 水生适应性：鲸鱼（哺乳类）、鱼龙（爬行类）和鲨鱼（鱼类）虽然属于不同的类群，但由于适应水生环境，它们都演化出了流线型的体型和鳍状肢。
• 滤食性：蓝鲸（哺乳类）和鲸鲨（鱼类）都演化出了滤食的捕食方式，通过过滤水中的小型生物来获取食物。

为什么趋同进化会发生？趋同进化发生的主要原因是不同物种在相似的环境中面临相似的生存压力。例如，生活在寒冷水域的鱼类需要防止体内结冰，因此独立地演化出了抗冻蛋白。这种现象表明，环境压力和自然选择在不同物种中可以产生相似的适应性特征。

趋同进化不仅展示了自然选择的力量，也为我们理解生物多样性提供了重要的线索。通过研究趋同进化现象，科学家可以更好地理解不同物种如何适应相似的环境压力，并揭示进化过程中的普遍规律。

四、这些研究的意义

这项研究揭示了新基因可以通过多种机制独立产生，包括基因重复、转座子驯化、水平基因转移、基因融合和裂解以及从头起源。这表明新基因的产生并非单一途径，而是一个复杂且多样的过程。这一发现鼓励科学家们探索更多可能的基因起源机制，并研究这些机制在不同生物中的普遍性。

不同鱼类独立进化出相似的抗冻蛋白，展示了趋同进化在应对相似环境压力中的重要性。这一现象提示科学家们，趋同进化可能在更多的生物特征中存在，值得进一步研究。这也有助于理解不同物种如何在相似的环境中演化出相似的适应性特征。

研究强调了环境压力和自然选择在新基因形成和功能进化中的关键作用。未来的研究可以进一步探讨不同环境压力如何驱动基因和蛋白质的进化，以及这些压力在不同生态系统中的具体表现。

本文提出了创新-扩增-分化模型（IAD）和复制-退化-分化模型（DDD），为新基因起源提供了新的解释框架。未来的研究可以验证这些模型在其他生物中的适用性，并进一步扩展这些模型，以解释更多的进化现象。

五、思考

抗冻蛋白是如何精确地识别并结合冰晶的？不同抗冻蛋白的氨基酸序列和结构差异如何影响其抗冻活性？是否存在其他类型的抗冻分子，如非蛋白质分子，能够起到类似的作用？不同种类的抗冻蛋白在细胞内是否相互作用，共同发挥抗冻作用？抗冻蛋白与其他生物分子（如脂质、糖类）的相互作用如何影响其功能？

除了基因复制，还有哪些机制可以产生新的抗冻蛋白基因？新基因的产生与物种的适应性进化之间存在怎样的关系？蛋白质结构的微小变化如何导致功能的巨大差异？蛋白质结构的进化是否遵循一定的规律？趋同进化和适应性辐射在生物多样性形成中分别扮演了怎样的角色？

这些有趣的问题旨在激发你的思考，助你更深入地理解，希望能为你带来新的启示和帮助~~~

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