【科幻科學報 No.476】人為何生而為人？─科幻科學報─智邦公益電子報
enews.url.com.tw · August 01,2017最ＩＮ話題 ■ 人為何生而為人？
▌撰文╱波拉德（Katherine S. Pollard）
▌翻譯╱涂可欣
▌提供／科學人
六年前，我把握機會加入了黑猩猩（Pan troglodytes）基因組的國際團隊，為黑猩猩的DNA定序。身為生物統計學家，又一直對人類的起源充滿好奇，我興致勃勃地將這個現存與我們演化血緣最近的生物，和人類的DNA序列排在一起、逐一比對，然後發現了讓人謙卑的事實：人類和黑猩猩的基因藍圖有將近99%是一樣的；也就是說，在600萬年前人類和黑猩猩的譜系分開後，人類基因組的30億個核酸中，僅有約1%，也就是約1500萬個核酸鹼基改變了。
演化理論認為，這些改變大部份不會造成影響，然而在那將近1500萬個鹼基中，必定含有讓人之所以為人的差異，我下定決心要找出這些差異。從那時起，我們的研究有了許多重大的進展，找到了幾個讓人類有別於黑猩猩的DNA序列。
電腦快速比對序列差異
雖然上千萬個鹼基在人類基因組中所佔的比例極低，但真要搜尋起來仍然很多，因此我撰寫了電腦程式來掃描人類基因組，找尋在人類和黑猩猩譜系分開後變化最大的DNA片段。生物的DNA序列會以一定速度累積隨機突變，大部份突變對生物而言無關痛癢，我們可以從這些突變推算出兩種生物是在多久以前自共同祖先分出來的（序列改變的速度常稱為「分子時鐘的轉動」）。然而，基因組中有些改變較快的區域，是受到了正向天擇的記號，那些突變有利於生物的生存和繁衍，因此更有可能傳給後代。換句話說，在人類和黑猩猩分開後變化最多的編碼，就是最有可能塑造我們成為人類的序列。
我花了幾個月來修改程式，然後在2004年11月將它放到美國加州大學聖克魯茲分校的電腦叢集上執行，讓程式列出演化速度加快的序列。我的指導教授郝斯勒（David Haussler）站在我身後，迫不及待一起看結果，排名第一的是長118個核酸、稱為第一號人類加速區（human accelerated region 1, HAR1）的序列。利用這所大學的基因組瀏覽器（一種讀取人類基因組的工具，會根據公共資料庫的資訊幫序列標上註釋），我標定了HAR1的序列資料，瀏覽器則顯示出人類、黑猩猩、大鼠、小鼠和雞的HAR1序列，這些脊椎動物的DNA序列都已經定出來了，瀏覽器還標明大規模篩檢實驗中曾發現到HAR1在兩種人類腦細胞中會表現，不過當時科學家並未研究這段序列或是為它命名。當我們看到HAR1可能是在大腦活躍的新基因時，都高喊：「太棒了！」
我們中了頭獎。人和黑猩猩的腦部在大小、結構和複雜度等性狀上，都有明顯的差異，然而我們對這些人類獨有特徵的演化與發育的機制所知甚少，或許HAR1能揭露人類生物學中這個最神秘的範疇。
接下來這一年，我們比對了多種生物的HAR1區域，包括在這段期間完成定序的12種脊椎動物，希望盡量拼湊出HAR1的演化史。我們發現在人類出現前，HAR1演化得很慢，雞和黑猩猩這兩種生物大約在三億年前分開，在118個鹼基中僅有2個不同；人類和黑猩猩是最近才分開的，卻有18個鹼基不同。HAR1在前幾億年的期間沒有改變，代表它具有非常重要的功能，而在人類基因組中的快速變化，則暗示著它在人類的功能可能有重大修改。
2005年，另一個有關HAR1功能的重要線索出現了。和我們合作的比利時布魯塞爾自由大學的范德海根（Pierre Vanderhaeghen）趁來訪聖克魯茲時，帶回去一小瓶HAR1分子，他利用這些DNA設計了分子螢光標籤，讓表現HAR1（將DNA的序列轉錄成RNA）的細胞能發出螢光。當基因活化時，會先合成可移動的信使RNA，細胞再以這個RNA為模版來製造所需要的蛋白質。螢光標示實驗顯示，HAR1會在某一類的神經元中活化，而這種神經元會影響大腦皮層（大腦最外層的皺摺構造）發育時的模式和架構。倘若這些神經元出錯，將會造成嚴重、通常會致命的平腦症（lissencephaly）。這種先天性疾病患者的大腦缺乏一般的皺摺構造，皮層面積縮小。此外，成人精神分裂症的發病也與這類神經元的失常有關。
因此HAR1在適當時間和部位表現，有助於形成健康的大腦皮層構造（其他證據顯示它可能還參與了精子的製造過程）。我和同事們都急於想知道這段遺傳密碼是如何影響大腦皮層的發育，畢竟HAR1近期發生的多處鹼基置換，可能大幅改變了人類的腦。
除了演化史值得一提，HAR1另一個特點是它並不會轉譯出蛋白質。幾十年來，分子生物學研究的焦點多放在細胞基本建材的蛋白質基因，但在「人類基因組計畫」完成人類DNA的定序之後，科學家才知道蛋白質編碼基因只佔全部DNA的1.5%，另外98.5%所謂的「垃圾DNA」，則屬於通知基因何時啟動和關閉的調節序列，以及會轉錄出RNA但不會轉譯為蛋白質的基因，科學家才剛開始要了解這些DNA的作用。
我們從HAR1序列的模式，推測這段序列會用來製造RNA分子。2006年，美國加州大學聖克魯茲分校的薩拉瑪（Sofie Salama）、伊格爾（Haller Igel）和亞雷斯（Manuel Ares）的實驗證實了我們的推測。事實上，科學家發現HAR1位於兩個重疊基因之上，而兩個基因共有的HAR1序列會形成一種全新的RNA構造，成為第六類RNA基因，這六類基因涵蓋了1000多群RNA基因，每群基因轉錄出來的RNA都各有不同的結構和功能。此外，HAR1也是已知第一個可能受到正向天擇的RNA編碼序列。
之前沒有人注意過人類基因組上這驚人的118個鹼基，看來似乎很奇怪，但在以前缺乏比對整個基因組的技術時，研究人員無從得知HAR1是不是垃圾DNA。
從語言能力找尋線索
比對其他物種的基因組，可以找到另一條重要線索，用來解釋為什麼人類和黑猩猩在基因組上非常相似卻有如此大的差異。近幾年來，上千個物種（大部份是微生物）的基因組定序完成了，科學家發現真正重要的是DNA變換的位置，而不是整個基因組有多少改變，換句話說，基因組不用改變太多，就可以造就出新的物種。從與黑猩猩的共同祖先演化出人類，分子時鐘的轉動不需要調快，重點是改變了讓生物功能有重要區別的區域。
HAR1肯定就是這樣的區域，而我們找到的另一段加速改變序列FOXP2基因也是，它和語言有關。英國牛津大學科學家在2001年的報告指出，FOXP2突變的人，儘管有處理語言的認知能力，但是臉部無法做出正常說話時所需的一些細微快速的動作。典型的人類FOXP2基因和黑猩猩的基因序列有幾個地方不同，其中兩個鹼基置換會改變蛋白質的胺基酸，其他置換則可能影響這個蛋白質作用的方式、時間與部位。
2007年有一項新發現，揭露了人科動物何時獲得讓自己有說話能力的FOXP2基因版本。德國馬克士普朗克演化人類學研究所的科學家，檢查了已滅絕的尼安德塔人化石中FOXP2基因的序列，發現尼安德塔人的FOXP2基因型和現代智人一樣，或許尼安德塔人和我們一樣能夠咬字說話。目前以尼安德塔人和現代智人譜系分開的時間為參考，顯示新版FOXP2基因至少在50萬年前就出現了。然而讓人類和其他物種有所區隔的口語溝通能力，並不是來自身體特徵，而是心智認知，認知通常又與腦容量有關。若依體型來看，靈長類的腦通常比較大，但人類與黑猩猩分開後，腦容量又增加了三倍以上，科學家最近才開始以遺傳研究來釐清這種激增的現象。
在人類和其他動物腦容量的研究中，最清楚的範例是ASPM基因。科學家透過分析腦容量縮小了70%的小腦症（microcephaly）患者，發現了ASPM和其他三個基因MCPH1、CDK5RAP2和CENPJ控制了腦的大小。最近美國芝加哥大學和密西根大學安娜堡分校的研究人員發現，ASPM在靈長類的演化過程中經歷了數次突然的改變，這意味著受到正向天擇，其中至少有一次驟變發生在人類和黑猩猩譜系分開之後，因此可能有助人類演化出更大的腦。
人類基因組上可能還有其他區域對腦部形態的改變有間接的影響。我用來發現HAR1的比對程式還發現了201個人類的HAR（英國劍橋的威爾康信託桑格研究所也發現了許多相同的HAR），大部份不具有蛋白質編碼，或甚至不能生產RNA，而是控制鄰近基因開啟與關閉的調節序列。有趣的是，這些位於HAR附近的基因，一半以上與腦的發育及功能有關，而且這些基因和FOXP2一樣，製造出來的蛋白質產物會調控其他基因，因此儘管HAR只佔基因組的小部份，卻能影響整個基因網絡的活性，而大幅改變人類的腦。
在大腦之外的變化
儘管大多數遺傳研究集中於人類複雜大腦的演化，但科學家也想知道人類身體其他獨特性狀是怎麼來的，而在名單上排第二的HAR2就是很好的例子。HAR2是基因調控序列，2008年，美國勞倫斯柏克萊國家實驗室的研究人員發現，人類的HAR2（又稱為HACNS1）帶有獨特的鹼基變異，會促進某個基因在胚胎發育時於手腕和大拇指處表現，其他靈長類的序列則沒有這項功能。這項發現特別引人注意，因為有個概念指出，人類手部形態改變才能靈活的製造及使用複雜的工具。
除了形態的改變，我們祖先在行為和生理上也有了調整，才能遷徙到新地域並適應環境。譬如在100萬年前學會用火和一萬年前的農業革命，讓人類的始祖更容易取得富含澱粉的食物。不過要利用這些高熱量食物，光是文化改變還不夠，人類在遺傳上也必須有所改變。
負責製造唾液澱粉的AMY1基因變化就是一項著名的適應。哺乳動物的基因組內含有數個唾液澱粉基因，物種間、甚至個人之間所帶的基因型都不盡相同，但如果和其他靈長類相比，人類有的AMY1基因份數比較多。2007年，亞利桑那州立大學的遺傳學家指出，AMY1基因份數比較多的人，唾液的澱粉也比較多，也就能消化更多澱粉。由此看來，AMY1的演化牽涉了基因份數和DNA序列的變化。
另一個著名的飲食適應範例是乳糖基因（LCT）。大部份哺乳動物只有在哺乳期的新生兒才能夠消化乳汁中的乳糖，但大約9000年前（就演化而言是最近），歐洲和非洲的人類各自演化出修改過的乳糖，讓帶有這基因的人一生都能消化家畜的乳汁。今日，那些古代牧人的後裔成年後更能消化飲食中的乳糖，而世界其他地區（包括亞洲和南美洲）的人帶有的是原型基因，因而容易有乳糖不耐症。
乳糖基因並不是唯一仍在演化中的基因，黑猩猩基因組計畫另外還發現了15個仍在演變的序列。這些序列在猿類和其他哺乳動物體內作用正常，但是在人類卻與阿茲海默症和癌症等有關，其中有些疾病只有人類會得，或是罹病率比其他靈長類高出許多。科學家目前正探究這些基因的功能，並試圖了解為什麼原型基因在人類中造成適應不良。這些研究有助於醫療人員篩檢較可能罹患這些致命疾病的人，進而協助他們避免罹病，對找尋和開發新療法也有助益。
基因改變有利有弊
人類和所有生物都得對抗疾病，以將基因傳給下一代，這種努力在免疫系統中格外鮮明。研究人員檢驗人類基因組以找尋正向天擇的證據時，最常入選的是與免疫有關的基因。免疫系統的基因在演化過程中經常修改，並不令人意外，在沒有抗生素和疫苗的年代，要延續基因的最大障礙，可能就是因為個體感染了致命傳染病而在生育年齡結束之前死亡。為了對抗病原體，生物免疫系統的加速演化成為適應的結果，最後形成微生物和宿主間的軍備演化競賽。
我們的DNA忠實記錄了這些奮鬥，特別是當病原體是反轉錄病毒（例如造成愛滋病的HIV）。這類病毒在求生與繁殖過程中，會將自己的遺傳物質插入人類的基因組，結果人類的DNA上到處散落著這些短小的反轉錄病毒基因組，其中許多病毒在幾百萬年前可能會造成疾病，現在卻不再傳播了。反轉錄病毒序列的隨機突變也會隨時間而逐漸累積，產生一些相似但不同的變異型，研究人員可以利用分子時鐘推算生物最早感染反轉錄病毒的時間。而宿主的免疫系統基因上也有久遠前感染而留下的痕跡，這些基因為了對抗那持續演變的反轉錄病毒，經常得進行修改。
PtERV1就是這樣的病毒遺跡。現代人體內含有一種稱為TRIM5α的蛋白質，可防範PtERV1和相關反轉錄病毒的複製。遺傳證據顯示，400萬年前生活在非洲的黑猩猩、大猩猩和人類曾發生PtERV1流行。2007年，美國西雅圖哈欽森癌症研究中心的科學家想了解不同靈長類是否對PtERV1有不同的反應，他們利用大猩猩基因組中許多帶有隨機突變的PtERV1病毒基因組，重建出遠古的反轉錄病毒，接著檢查人類和大猿的TRIM5α基因是否能抑制那些重建的PtERV1。結果顯示，人類TRIM5α基因上一個鹼基改變，就可能讓我們的祖先更有效對抗PtERV1病毒（人類TRIM5α基因的其他改變則可能為了對抗另一種相關的反轉錄病毒），而其他靈長類的TRIM5α基因上也各自有獨特的變化，代表著牠們祖先戰勝反轉錄病毒的事蹟。
然而擊退某一型反轉錄病毒，並不能保證我們在對抗其他病毒時也能保持優勢。人類TRIM5α的改變讓我們無畏PtERV1，但同樣的改變卻在對抗HIV時吃了大虧。這項發現正幫助科學家了解為什麼人類感染HIV會演變成愛滋病，而其他靈長類不會，顯然演化有時會進一步、退兩步。我們在研究科學時其實也是如此。我們找到了許多有趣的遺傳序列，或許能解釋人類獨特的性狀，然而在大多數情況下，我們只知道這些序列的基本功能，至於像HAR1和HAR2這種不會製造蛋白質的序列，我們的認識就更少了。
這些快速演化、人類獨有的序列為我們指引了方向。要了解讓我們成為人類的演化改變，可能不該將焦點放在蛋白質上，而是探究演化如何重新組裝這些建材，改變基因表現的時間與部位。目前在全世界幾千個實驗室進行的實驗和電腦模擬，將能闡明人類基因組中佔98.5%的非蛋白質編碼序列。隨著研究進展，這些「垃圾」序列看起來越來越有價值了。
（本文原載於科學人2009年第88期6月號）
科學小視窗 ■ 科學家將探勘海洋垃圾漩渦
▌文／科科報編輯小組
過去60年來，亞洲和美國人分別從太平洋的兩岸往海中傾倒垃圾，這些垃圾受到洋流影響，竟在太平洋中形成一個大型「塑膠漩渦」，面積有兩個德州大，本月科學家和環保人士將前往探查。
根據外電報導，這個漩渦位在夏威夷和加州之間的海域，平靜的海面下有洋流迴旋的漩渦，把海洋垃圾堆積在此。這些塑膠垃圾有些已經被分解成小顆粒，很難從衛星圖上觀察，但恐怕會被吃進海洋生物和鳥類肚子裡。
這個海洋漩渦是美國海洋學家偶然在1997年發現，之後的研究發現每座海洋中幾乎都存在塑膠漩渦，太平洋內恐怕就有兩個，目前恐怕有高達1億噸的塑膠垃圾在北太平洋漂浮。
