科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

為什么共享同一套DNA藍(lán)圖，一個(gè)細(xì)胞變成了能發(fā)出信號(hào)的神經(jīng)元，而其鄰居卻變成了會(huì)收縮的肌肉細(xì)胞？這是生物學(xué)中一個(gè)迷人的核心問題。科學(xué)家認(rèn)為，秘密不在于基因本身，而在于細(xì)胞如何“閱讀”這本生命指令書——選擇性打開基因組的不同章節(jié)。掌管閱讀權(quán)限的，是一類名為“調(diào)控元件”的基因開關(guān)。

然而，我們對(duì)這些開關(guān)運(yùn)作細(xì)節(jié)的了解，大多來(lái)自像小鼠和果蠅這樣的“現(xiàn)代居民”。現(xiàn)在，科學(xué)家們將目光投向了地球生命的古老家族成員海葵，并首次成功繪制了它的細(xì)胞基因調(diào)控“地圖”。這項(xiàng)研究猶如打開了一扇窺視5億年前生命世界的窗口，因?yàn)楹？捌溆H屬（水母、珊瑚）所屬的刺胞動(dòng)物，正是地球上最早出現(xiàn)的動(dòng)物群體之一。

這份發(fā)表于《自然·生態(tài)與進(jìn)化》期刊的圖譜，其精妙之處在于，它不再僅僅記錄細(xì)胞正在使用哪些基因，而是揭示了構(gòu)建和定義每一種細(xì)胞身份的“幕后指令系統(tǒng)”——那些調(diào)控元件是如何協(xié)同工作的。這為我們理解細(xì)胞類型提供了全新視角。

一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)是：如果按細(xì)胞的功能（激活的基因）來(lái)分類，我們能看到它們當(dāng)前的角色；但如果按控制它們的調(diào)控開關(guān)來(lái)分組，竟能追溯細(xì)胞的“家族出身”和“成長(zhǎng)經(jīng)歷”，揭示它們最初源自哪個(gè)胚胎胚層。

科學(xué)家為此提供了一個(gè)生動(dòng)的例子：他們發(fā)現(xiàn)兩種海葵的肌肉細(xì)胞，看起來(lái)相似，工作方式相同，使用的核心基因也幾乎一樣。然而圖譜顯示，它們其實(shí)出身于不同的胚胎層，指揮它們工作的那套“基因開關(guān)”也完全不同。這就像兩個(gè)功能相同的部件，卻是由兩套不同的設(shè)計(jì)圖紙打造而成。

像海葵這種刺胞動(dòng)物，是動(dòng)物界最早擁有神經(jīng)元和肌肉的“先鋒”。從進(jìn)化角度看，基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)就像一套充滿創(chuàng)造性的樂高組合工具：無(wú)需發(fā)明新“積木”，只需重新組合“積木”的搭建方式，就能創(chuàng)造出新的細(xì)胞類型。這項(xiàng)研究，正是為了解開像刺細(xì)胞這種獨(dú)特裝備最初是如何被“發(fā)明”出來(lái)的謎題。

解謎的過程并不容易。科學(xué)家這次分析了海葵高達(dá)6萬(wàn)個(gè)細(xì)胞，并從中解碼了11.2萬(wàn)個(gè)調(diào)控元件。一個(gè)令科學(xué)家驚訝的細(xì)節(jié)是：海葵的基因組大小約為2.69億個(gè)DNA字母，其復(fù)雜的調(diào)控元件數(shù)量接近果蠅（基因組約1.8億字母）的水平，而果蠅在進(jìn)化史上晚了數(shù)億年才出現(xiàn)。

這也意味著，讓復(fù)雜動(dòng)物得以存在的基因調(diào)控工具包，在動(dòng)物身體結(jié)構(gòu)真正變得復(fù)雜之前很久，就已經(jīng)在古老的海洋中準(zhǔn)備就緒了。今天驅(qū)動(dòng)我們思考、運(yùn)動(dòng)的生命規(guī)則，其雛形早已蘊(yùn)藏在5億年前那些隨波逐流的海葵祖先體內(nèi)。