来源:Behance(Alex Diaconu创作)

无形—有形—无形—……

2020-2021年博古睿学者,北京大学生命科学学院教授。他是北京大学博古睿研究中心“博古睿讲座系列”的首讲嘉宾,也是在线平台“睿的n次方”的首位专栏作者,并给专栏起名《白话》。

2021-08-12 / 阅读时长 7 分钟
专栏 首发 白书农

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在上一篇文章《既生瑜,何生亮》中,我们基于整合子生命观中生命系统所具有的“正反馈自组织”属性,提出了真核细胞起源的一种可能性,即不同类型原核细胞在彼此接触过程中相互整合,这种整合过程中出现的“富余生命大分子”之间发生了新的相互作用,自发形成了新的复合体。不同类型原核细胞整合而成的新的动态网络单元,在生命大分子网络的两种形态上,即生命大分子合成与降解的动态网络和生命大分子复合体形成和解体的动态网络,都出现了与其前体原核细胞不同的特征,成为一种全新的、被人类称为“真核细胞”的细胞类型。

之所以要解释真核细胞起源机制,不仅因为我们人类个体的构成单元是真核细胞,要了解人类的基本生物学属性,不得不了解真核细胞;更重要的是,在真核细胞与作为其迭代前体的原核细胞的不同特点中,有一个非常关键的特点长期以来一直被研究者所忽略,并因此而在生物学研究以及对人性解读中衍生出很多误区。如果不搞清楚——起码在逻辑上搞清楚——真核细胞起源的机制,很难讲清楚这个关键的特点究竟是什么,为什么那么重要。

真核细胞与原核细胞最本质的差别,不是在细胞大小、结构、乃至“生命大分子网络”运行特点上,而是在不同类型/种类的真核细胞作为一个生命子系统/整合子,其存在单元不再只是单个细胞,而是一个细胞集合!

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我们在《向肥皂泡里吹气会产生几种结果?》一文中提到,细胞分裂并非细胞“要”复制自己、传宗接代,而只是一种保持适度体表比的细胞化整合子的维稳机制。因分裂而出现的细胞数增加,不过是维稳机制的副产品。这时我们所讨论的“细胞”,所指的主要是类似大肠杆菌、枯草杆菌这类原核细胞。对这些细胞而言,它们作为一个生命子系统/整合子的存在单元,就是单个细胞。

尽管不同细胞类群,比如大肠杆菌或枯草杆菌之间在细胞形态、结构、功能上都有明显的不同(否则就不会被分为不同的类群),但同一类群细胞的不同个体(细胞)之间虽然可能会有差别,但就目前的研究所知,没有实质性不同。不同个体细胞之间可以被视为彼此的复制品,或者叫“克隆”。

但是,到了真核细胞就不同了。在《既生瑜,何生亮》一文中我们提到,真核细胞相比于原核细胞一个最大的特点,在于其中作为生命大分子网络关键组分(在本系列文章中比喻为“乐高积木的零配件”)的蛋白质生产流水线的“图纸”,DNA,相对于原核生物被更好地保护了起来。这个特点是在不同类型原核生物整合基础上自发产生的。这个特点与其他特点相互配合,使得真核细胞作为“动态网络单元”,在运行上更多地受到零配件生产流程的调控。这也是为什么尽管从“基因”到“性状”这个长长的过程中,在中心法则所描述的从基因到蛋白这一段之后,存在一个巨大的原理层面的认知断层[1],人们在实际的研究工作中,仍然可以通过改变基因表达调控来改变各自感兴趣的“性状”的根本原因。

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可是,真核细胞的“中央集权”式的调控会衍生出一个新的问题,那就是其作为整合子存在所不可或缺的“三个特殊”的相关要素,在自由态状态下(无论胞内还是胞外)[2]的分布,无论从种类还是数量上都是在随时变化的。被安全保护起来的零配件生产线的“图纸”——DNA上编码的生产流程的程序化当然可以通过在特定“相关要素”分布状态下优化的运行模式而实现高效运行,增强整合子存在的稳健性,但如果“相关要素”分布状态的变化超出了程序化运行模式所能容错的范围,这些细胞怎么才能继续存在下去?

从目前对DNA稳定性的了解,DNA是一种相当稳定的生命大分子。上亿年的古生物化石中提取的DNA都能检测出其碱基排列顺序。DNA分子的这种稳定性,再加上其他大分子比如组蛋白等等的保护,就使得以DNA序列为核心的生命大分子网络不容易发生改变。显然,一旦“动态网络单元”运行所需的“相关要素”分布状态的变化超出了由DNA序列编程的生命大分子网络运行模式所能容错的范围,大概率的结局,就是系统崩溃。

可是,地球生物圈中真核细胞并没有因伴随其生命大分子网络因DNA序列编码所带来的稳健性增强的正效应所衍生的应对“相关要素”分布状态变化的灵活性减弱的副作用而崩溃,反而成为地球生命之树上最令人瞩目的存在。其中的奥秘何在?

奥秘说来也很简单,那就是我们前面提到的,真核细胞作为一个生命子系统/整合子,其存在单元不再只是单个细胞,而是一个细胞集合!

真核细胞虽然也可以和原核细胞一样,借助细胞分裂这个维稳机制来保持自身适度的体表比,并因此而增加细胞数,但真核细胞中DNA分子相对于原核细胞大幅度的增加(比如人类一个细胞中的DNA有30亿个碱基对,排列起来可以有2米长),使得同一类群的真核细胞中不同细胞个体内的DNA序列可能产生些许的差异。

这些差异,有可能使得同一类群中不同细胞个体中由DNA序列编程的生命大分子网络的运行模式出现些许的差异。如果这些网络运行模式的差异恰好可以应对不同的“相关要素”分布状态的变化,那么从细胞集合的层面上,不是如同准备好了十八般兵器,兵来将挡水来土掩,从而可以应对更大范围的“相关要素”分布状态变化,并因此而获得更大的整合子稳健性了吗?

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但上面的分析存在一个问题,即尽管从细胞集合层面上可以在更大范围中应对不同的“相关要素”分布状态变化,在单个细胞层面上,那些无法应对变化的动态网络单元还是要崩溃的。不同的“相关要素”分布状态的变化可能引发不同单元的崩溃。那么为什么真核细胞的“细胞集合”中的“十八般兵器”没有被各种不同的变化“各个击破”、而是被保留下来了呢?

人们在对生命系统的长期研究中发现,同一类群的真核细胞之所以能以“细胞集合”的形式获得稳健性优势,其奥秘的核心,在于这个细胞集合中的各个成员细胞之间,存在一种特殊的纽带,可以使细胞集合的各个成员共享多样化DNA序列库。这种纽带究竟是什么,如何形成的,我们将在下篇文章中予以介绍。

在这里我们先给出一个结论,即由于共享多样化DNA序列库的纽带的存在,真核细胞作为一个生命子系统/整合子存在的主体形式(或者存在单元),从之前原核生物的单个细胞,转变为由多个细胞构成的“细胞集合”。这个“细胞集合”的核心,是可共享的多样化DNA序列库,而每个细胞则是序列库中某一种多样化类型的载体。这种全新的整合子存在单元的出现,化解了真核细胞“中央集权”所带来稳健性增强的正效应所衍生出的应对“相关要素”分布状态变化灵活性减弱的副作用。

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从这个角度看,我们发现,在生命系统演化过程中,整合子的存在形式,从最初的“红球蓝球”之间由IMFBC作为节点而关联起来的所“结构换能量循环”[3],到基于共价键自发形成而衍生的生命大分子及其网络,这些整合子都没有物理边界,因此都是“无形”的。可是当生命大分子网络被组分包被而成为一个动态网络单元,这时整合子的存在就获得了一个物理边界,就成为“有形”的了。到了真核生物出现,在解决“中央集权”所带来的稳健性增强正效应的副作用,即应对“相关要素”分布状态变化的灵活性减弱的过程中,以“细胞集合”为整合子存在单位的机制脱颖而出。

这种特点的出现,使得整合子的存在形式又从“有形”,变成了“动态网络单元”为成员、彼此共享没有物理边界的多样化DNA序列库的“细胞集合”,从而变为“无形”。在之后的专栏文章中我们会看到,整合子主体形式从无形到有形再到无形再到有形的迭代过程会不断发生。这是生命系统演化中一个长期被人们忽视但却非常有趣的现象。

艺萌「睿ⁿ」 | 编


[1] 参见本专栏《乐高积木的零配件是怎么生产的?》

[2] 参加本专栏《作茧自缚——细胞是什么?》

[3] 参见“白话”专栏《生命至上——生命是什么(2)?》