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“基因污染”“基因流”是个伪概念

已有 8254 次阅读 2010-5-16 11:00 |个人分类:未分类|系统分类:观点评述|关键词:学者| 转基因, 基因扩散, 基因污染, 基因流

 

“基因污染”、“基因流”是个伪概念

 

由墨西哥转基因玉米的基因扩散、基因污染而引伸出 “基因流”的概念,从一开始就因定义不明确而受到科学界的置疑,随后虽经有关人员进一步研究而被否定,但基因流的概念却还是在一些科普文章中流行。遗憾的是,一些支持转基因研究的人士也认为自然界是存在基因流的,甚至说是符合进化规律的。

按达尔文进化论的规律,基因是纵向传承而不是横向交流的。如基因能横向交流,那我们今天看到的生物世界将不是一棵进化树,而是一张纵横基因流导致的“进化网”;控掌人类智慧的基因应该是自然界最具生存竞争力的,拥有这样优秀基因的人类已遍布全球,甚至可到地球之外转悠。但这样具竞争力的基因为什么没有随基因流横向扩展,以至于水中出现智慧鱼、天空出现智慧鸟呢?在基因的水平上,所有的生物是平等的,所以可以用重组技术让细菌来表达人胰岛素。如确实有横向基因流,那动植物间的基因交流、《阿凡达》中外星人与植物之间信息交流的现象就不是科幻了!

我们究竟有什么事实来证明物种之间有基因在流动呢!?如有实验数据证明在生命发展早期,细胞基因组自稳系统尚未完善之前,有“基因横向交流”现象,也应该明确定义与条件;科学实验中任意干扰因素的设计偏差,都可能使最后的结论与真实差之千里成为谬误;分子生物学实验室有些研究现象的发生需要人为的特殊环境,自然界是不可能发生的。凡是与自然界基础规律相冲突的,不具备普遍意义的概念,应慎重运用、严格规范。

2010419出版的《生活周刊》中,科学记者报道了对英国牛津大学植物学教授多兰(Liam Dolan)的采访,宣称“基因扩散是一种常见的现象,并不可怕”。不知其具体指的什么事件,什么方式的扩散。其实这句话出现的场合很可怕,因为整篇文章谈的是转基因农业,表明他认为转基因能引起基因扩散和“基因污染”了!这可是已被论证并否定的。其实,从全文来看,作者也是认可“墨西哥转基因玉米污染事件”的,并说“搞研究的人都知道,基因在野外的扩散是很难避免的”。更为遗憾的是,文章一开始就把转基因的理论放到达尔文的进化论中,物种在转基因技术中获得新基因的突变论可是与达尔文的渐变论水火不相容的啊!

基因不能裸露存在

基因流(gene flow)概念尚无公认的或传统的明确定义。如果指的是遗传学上的纵向传承,那无可非议;但提出基因流概念的专家其本意不是指物种的基因纵向流动,而是指物种之间的基因横向流动。我们清楚地了解,除在人类生物医学实验室的容器内,基因是不能也不会裸露存在的,必定有它的载体,细胞和病毒就是基因的载体。离开细胞,基因只是一种核酸成分,会被各种外界因素降解;同样,病毒中的基因离开蛋白外壳的保护,不但失去了入侵细胞的能力,也同样会被外界的各种因素降解。组成基因的物质虽然是核酸,但离开相应载体、离开活体的核酸序列信息已失去了基因的含义;就如英文字母一样,离开了单词与句子就没有任何意义了。不然的话,“营养核酸”应该称“营养基因”,是最明确无误的“基因流”了。不管人类是否有必要服用营养核酸,营养核酸就是股海洋基因的洪流(据说营养核酸是用海洋生物提取的),怎么从来没有听说过营养核酸会造成基因流、诱发基因污染呢?

由于核酸只在特定条件下才有基因的含义,不能单独成流,“基因流”实际上应该理解为细胞流和病毒流(花粉是植物的生殖细胞,质粒是浸染细菌的病毒)。细胞与病毒的运动应该遵循细胞与病毒自身的规律,单独或随意提出一个“基因流”,谈论“基因流”的运动,不加说明是难以理解的。因此,提出“基因流”概念的专家从一开始就给了它一个笼统的含义,从中加以发挥,使人不知所云;而从这个务虚的概念、也可以说伪概念推导出来的关于转基因作物 “基因扩散、基因污染”而争论,谈“可怕不可怕”是没有意义的。

细胞基因组是独立进化的

基因是物质运动自发形成的,不是上帝创造的,基因和基因组的发展导致物种的进化,基因忠实稳定地复制、分离是生命得以延续、物种得以存在的基础。基因发展的基本规则是复制,复制中可能发生的重叠复制,使基因数增加;重叠的基因可因变异而逐渐出现功能分化,导致新功能基因出现,使基因组扩大并使功能复杂化;在外界环境的选择下,优势基因组得到发展,这是物种进化的基础。不同的变异会导致同源物种的分道扬镳,因此,细胞基因组独自分别进化也是万物产生的基础。在自然界生存竞争中具优势基因组的物种易发展,物种的竞争就是基因组之争、DNA之争。生命中的食物链是在“弱肉强食”的竞争中形成的,自然界和谐的背后是竞争,是各种各样表面或内在的物竞天择后的结果。

基因只有因复制分离而产生的纵向传承关系,基因组的稳定是物种得以延续的根本保证,基因没有从细胞基因组游离出来流向另一细胞或另一物种的机制。物种间个体基因横向交换的现象仅发生在有性生殖的细胞染色体配对过程中,在生殖细胞减数分裂中配对染色体可以发生节段交叉与交换,但这是姐妹染色体的配对,严格地限制在物种内部发生,只会导致同源基因的互换,这样才能保持物种基因组的完整性,因此不涉及新基因的发生。有性生殖可防止细胞染色体中有害突变的积累,其生存优势比无性生殖强,是有性生殖物种进化的重要特征。在不同物种间也存在相当数量的同源基因,这只能证明在进化史中出于同源,不能表明是横向基因流造成的。为确保物种稳定与延续,基因组必须稳定与完整,自然界不存在基因的跨物种交换。因此在有性生殖过程中发生的基因交换,与提出“基因污染”、“基因流”的专家的本意是不同的。

 

转基因的基因游离于细胞基因组之外

病毒寄生于细胞,病毒有自身独立的基因组,病毒在感染细胞时把自身基因也带入了细胞,表面上导致了基因的“流动”,所以有专家称病毒为基因的“使者”。转基因技术主要就是利用病毒样载体将“新基因”带入细胞。但病毒现象所产生的基因“流动”有严格的条件限制。第一,病毒感染物种有特异性,每个物种有各自的寄生病毒,跨物种感染可以发生,但不是自然界的常态;第二,病毒的基因组独立于细胞,有独自的基因调节机制与生命周期,并不参与细胞基因组的运动;第三,病毒在简单生物中,如细菌中,可长期寄生,在高等生物中,由于免疫系统、干扰素系统和细胞基因调节系统的排斥,难以持续存在并流动;第四,病毒游离于细胞基因组的复制与分离运动,在传代过程中因生殖隔离会丢失;第五,如果病毒基因组的调节系统干扰细胞基因组的调节,可使正常细胞发展为肿瘤细胞或进入病态而难以自然存在。如果病毒基因组被细胞基因组所调节,病毒基因会被沉默掉,因此病毒所带来的“基因流”现象是局部的、不稳定的,不参与物种基因组的进化。转基因技术与病毒感染机制相同,转基因作物的生产是转染或感染方式(有用逆转录病毒载体转染方式使外源基因插入细胞基因组的报道,是否成熟尚无定论,转基因作物没有用逆转录病毒的),所以转基因作物的转染与病毒感染的过程是相似的。

人工转染的外源基因会被自然净化

“基因污染”是可能的,那就是转基因技术人员的操作出了误差,转染了不该转染的物种。没有转基因技术人员的帮助,自然界除了已经存在的原本就有的病毒(质粒)的自然感染,不可能发生基因污染。如真有所谓的基因流导致基因污染,生命世界的种系关系岂不乱套!

对植物种群而言,即使通过人工技术实现了新基因的转入,由于生殖隔离障碍,这种基因并不能遗传。动物的生殖隔离障碍非常完善,从原理上讲植物的有性生殖中也存在生殖隔离障碍,所以有人否定了玉米花粉可引起基因扩散。但植物的再生能力很强,可以从损伤的破碎处再生一株成体植物来,因此其生殖隔离障碍是不完善的,但破碎再生不是植物生存的主流,因此转染的外源基因在不完善的生殖隔离的障碍下也会逐步下降、减少,逐渐被净化。大自然本不存在基因污染,没有人为操作(基因工程),基因污染的概念就不存在。由于人类还没能掌握细胞基因组的进化,这种所谓的“污染”也只能是暂时的,不至于危害自然界,已经人为扩散的人造基因在野外会逐步被生命的自然规律清除。

外源基因整合入染色体的问题

有科学家研究外源基因在转基因作物上的整合、表达方式。S.Bieri(1999)的实验证明,定位于核基质的目标基因(Rip)在转基因小麦的后4代仍然非常稳定。V.Srivastava(2001)报道了位点特异性重组方法,将4拷贝基因插入特定位点并转化成单拷贝基因。Pederson BL(2004)利用荧光原位杂交观察了用基因枪法导入基因在转基因小麦染色体上定位。更有人报道用不同的转基因株系,可将外源基因插入不同的位点。甚至有人报道了显微注射法导入的外源基因片段可长达5万碱基对,且无需载体即可整合在宿主染色体上。这类研究是希望证实并让人了解外源基因在转基因作物中是稳定的。

这些研究发表在尚不知细胞的基因组含有基因调节系统的若干年前,疑惑者难以置疑,如今这些研究结果很难让人信服了。在生物实验研究中,人类掌握了将病毒的基因从病毒中取出来,用基因工程技术构建新的人造基因,再包装成病毒;但人类却还没有掌握将细胞的染色体取出来,基因工程一番,再包装成细胞。人类DNA研究是将人类的细胞基因组这本巨著拆成一页页,然后一个个地数清楚(不是全部读懂),却没有本事将这本书再装回去,更说不上改造后再装成细胞了。目前已有的“基因工程”基本上都是在仅有几个或十来个基因的病毒上操作的。水稻是植物,但有与人类一样大的基因组和4万以上的基因,如此海量的基数上如何作外源基因插入的精细加工?上述将外源基因插入细胞染色体的机制是什么?靠注射能将基因定量(插入几个)与定位(插到哪儿)吗?如果插入,这些外源基因的复制、功能表达与传代是受细胞基因组调控,还是自行调控?插入的基因还能游离出来污染别的细胞吗?在这些基础问题没有得到合理解释之前,种种外源基因整合入染色体的研究结果成效是难以使人信服的。最近媒体宣扬重组支原体创造了新物种,其实支原体是与病毒一样是需要寄生的亚细胞结构,不能单独成物种;技术上也远不如重组病毒精细,是将断裂的染色体混合,有如杂交瘤技术,却又比不上杂交瘤细胞可以单独克隆生长。

 

细胞基因组中基因是不流动的

 

基因在细胞基因组中是有序的,是物种细胞在漫长的进化过程中逐步形成的,基因排列不但有序,而且在染色体中有特定的分布(如决定雄性特征的基因定位于Y染色体),确保细胞基因组的完整,不能随意流动或进出的。人体细胞的30 亿对核苷酸、4万个基因在每次细胞分裂时均如数复制,尽管有99%的核酸并没有明确的功能,但决不丢失或游离出去若干,决无扩散成流的现象。

细胞基因组的状态与一本书一样,用螺旋折叠的方式合在一起,需要表达的功能基因段由基因调节系统用DNA解旋酶解开,再如电脑调用程序一般,从解开的核苷酸上将序列信息转录到RNA上,由RNA去执行后续功能,在实施功能的过程中基因不需要从核苷酸序列中游离。在基因的发生、发展与生理过程中,细胞基因组中的基因不存在需要游离的机制,也就更谈不上基因组外、物种间的流动了。当然,细胞基因组外存在着其它游离的含基因颗粒,如病毒、质粒、腺粒体等等,其运动不受细胞基因组控制。我们所指的进化是物种基因组的进化,是能稳定遗传的进化,那些可以进出细胞的核外基因没有遗传的稳定性,不能算在物种的进化之列。因此,转基因技术中转染进入细胞的基因不能参与物种的进化。转基因技术只能创造新的作物,决不能产生新的物种。虽然这些年国内外有大量的转基因或基因流的文献,只要分析其具体所指事件就不会受一些新词汇的误导与迷惑了。

 

原始物种的基因横向扩散

 

细胞基因组因自身变异进化的时间是漫长的,以人的珠蛋白为例,一个同源基因完全分化成另一个不同基因至少需要一亿年时间,而从脊索动物基因组的一万个基因发展到人类基因组的4万基因,经历了5亿年漫长的岁月,这样的进化一般不会使物种发生根本的改变,只是原基础上的更新。用这种基因组变异和发展的机制解释达尔文的进化论是非常完美的。但在细胞生命发展的低级阶段,细胞基因组的自稳系统尚未完善之前,核外(外来)基因参与细胞基因组的发展,这种基因的横向交流是可能存在的。有些人在对细菌、噬菌体和细菌质粒的基础研究中发现有此类“迹象”。

横向基因交流可使物种突然获得全新的基因,以物种传代时间计算,这类基因组发展的速度是自然突变所致的几个或几十个数量级,再加上横向基因的异源性和多样性,可以导致物种基因组迅速地扩大、复杂化及多样化。从而造成生命发展史中两个显著的事件,一是现有自然物种大量的基础基因惊人的一致性;如实施核酸复制、转录、蛋白合成、氧化还原、糖脂代谢等酶的基因,所以我们可以用细菌这样简单物种的酶来进行所有物种的DNA扩增和蛋白质合成等(包括人的DNA和蛋白质)。自然界的万物不可能是从一个原始细胞前体发展而来的,从第一个能自我复制的基因出现到一个细胞生命延续必备的1500个基因,中间必然有无数原始基因的参与和组合方式,然而物种大量基础基因高度的一致性,表明原始细胞在早期必定有横向基因交流时期,使这些具生存优势的基础基因得到广泛地普及。二是细胞基因组迅速扩大、复杂化和多样化,导致物种的跃进式进化,带来这种基因横向穿梭交流的机制可能就是病毒样结构物质的出现,这个事件我们可以较合理地推测大约发生在5亿年前的寒武纪前夕,因为我们发现了寒武纪的物种大爆发,是达尔文时代尚无法解释的。

这种病毒带来的基因流向机制虽然促使物种出现跳跃性进化,但也使物种处于一种极不稳定的状态,有的新基因的入侵甚至可以破坏细胞基因组,毁灭一个物种。因此随着物种越来越复杂、功能越来越完善,出现了细胞基因组自稳系统与基因调节系统,细胞出现了干扰素系统,物种出现了免疫系统,极大地限制了外源基因的入侵。外源基因参与细胞基因组进化的机制在寒武纪后基本结束,因为此后再没有发生物种的跳跃性进化现象。细胞基因组中转座子的研究提示了生命发展史中此类事件的迹象。对人类来说,至少在几千万年前就停止了。属于一种“化石”基因的研究,如何使其复活尚在某些科学家的企图中。当前人类接触的各类生物都与人类共同经历了数亿年的进化,很少有原始到细胞基因组极其松散可让外源基因随意加入的物种了。只有病毒,因基因组简洁,无自稳系统,人类可以用基因工程的方法插入外源基因,但改动太大病毒就不能包装或失去活性。还有一些简单的单细胞物种,能持久容纳外源基因,如基因重组药物只有让细菌这样的物种来生产才比较成功,然而重组基因也没有插入细菌的细胞基因组成为新物种,转入的基因常常会因传代逐渐丢失,因此需要低温保存原种和重组质粒以作再生产补充。

 

达尔文的进化论是真理,不是宗教,因此不是信仰,而是理解的问题,只有理解才能指导我们去认识自然界。然而,某些支持转基因作物研究的科普人士从转基因的研究中推论转基因是自然的,与进化论有关,这不是为反对转基因研究提供了理论依据吗?因为有些反对转基因研究者正是提出了这样的论点,“万一恐怖分子将有毒基因转入粮食作物,轻易地就可在田野里造成基因污染,进行毁灭人类的恐怖活动,那我们怎么办呢!”要知道转基因技术并不难,如转基因真的能参与物种进化,创造新物种,那“阿凡达”真的可能来了,魑魅魍魉也都可以来了!

参考文献

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2.Benjamin Lewin. Gene VIII. ©2004 Published by Pearson Prentice Hall.

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5. P,H.Raven. Transgenes in Mexican maize: Desirability or inevitability? Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102(37)13003-13004 2005.

6.Ellstrand, N. C. Current knowledge of gene flow in plants: implications for transgene flow. Philos. Trans. R. Soc. Lond., B, Biol. Sci. 358, 1163-1170.2003

7. 越;转基因农业到底有什么问题?生物周刊 201016 116-119 2010

中文关键词,转基因作物 基因流 基因污染 物种进化

 

 

英文题名,Gene pollutiongene flow are of a pseudo-concept

Gene can not exist in naked, and move independently without living cells or virus to carrying on, so gene pollution and gene flow are of a pseudo-concept. In principlegene duplication and separation of only arise due to vertical inheritance relationship, not to horizontal transfer relationship between species. All genes in genome of cell are located in chromosome stably, never change sites in genome and isolate from genome in life cycle. Only extra-nuclear DNA ( virus, plasmid etc.) can move inside and outside of cells by their own law, but not be involving in species evolution.


 
 
 


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1 叶剑

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