长期以来，科学家一直认为，当进化与旧基因融合在一起时，就会出现新基因。 事实证明，自然选择更具创造力。 6park.com

一些鳕鱼物种具有防止冻结的新铸造基因 6park.com
在冬天的深处，冰雪覆盖的北冰洋的水温可能降至零以下。 那已经足够冷了，可以冻很多鱼，但是条件并没有给鳕鱼带来麻烦。 血液和组织中的蛋白质会与微小的冰晶结合并阻止其生长。 6park.com
鳕鱼获得这种才能的地方是进化生物学家Helle Tessand Baalsrud想解决的难题。 她和她在奥斯陆大学的研究小组搜寻了大西洋鳕鱼（ Gadus morhua ）及其几个近亲的基因组，认为他们会追踪到抗冻基因的表亲。 没有出现。 当时还是新父母的巴尔斯鲁德（Baalsrud）担心自己的睡眠不足会导致她错过一些明显的事情。 
但是随后她偶然发现了一些研究，这些研究表明基因并非总是像生物学家早就认为的那样从现有基因进化而来。 取而代之的是，有些是由不编码任何功能性分子的基因组的荒凉延伸形成的。 当她回头看鱼的基因组时，她发现可能是这样：抗冻蛋白（对鳕鱼的生存至关重要）似乎是从零开始构建的。 6park.com
鳕鱼的人很好。 在过去的五年中，研究人员在他们调查的每个谱系中都发现了这些新产生的“ 从头 ”基因的众多迹象。 这些包括模型生物，例如果蝇和老鼠，重要的农作物和人类。 一些基因在大脑和睾丸组织中表达，其他基因则在各种癌症中表达。 6park.com
从头基因甚至促使人们重新思考进化论的某些部分。 传统观点认为，新基因倾向于在现有基因被意外复制，与其他基因融合或分解时出现，但是一些研究人员现在认为从头基因可能很普遍：一些研究表明至少可以产生十分之一的基因。通过这种方式; 其他人估计，从基因中出现的基因可能比从基因复制中产生的基因更多。 它们的存在模糊了构成基因的边界，表明某些新基因的起始材料是非编码DNA（请参阅“基因的诞生”）。 
中国科学院动物研究所的遗传学家张勇说，生物体以这种方式获得新基因的能力证明了进化的“可塑性，使某些似乎不可能的事情成为可能”。人脑中从头基因的序列。 6park.com
但是研究人员尚未找到如何确定将其从头确定为新基因的方法，关于它们的出生方式和频率仍存在疑问。 科学家们还想知道，当已经存在如此多的基因就绪材料时，进化为什么会打扰从头开始制造基因。 这些基本问题是该领域年轻的标志。 Baalsrud说：“您无需回溯很多年， 从头开始进行新基因进化。”
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早在1970年代，遗传学家就将进化视为一个相当保守的过程。 当大野进（Susumu Ohno）提出大多数基因是通过重复2进化的假设时，他写道：“严格来说，进化没有任何东西可以创造出来。 每个新基因都必须来自已经存在的基因。” 6park.com
当DNA复制过程中的错误产生一个基因的多个实例时，就会发生基因复制。 经过几代人的努力，这些版本会产生突变并发生分歧，因此它们最终会编码不同的分子，每个分子都有各自的功能。 自1970年代以来，研究人员发现了许多其他例子，说明进化如何与基因相关联-现有的基因可以在物种之间分解或“横向转移”。 所有这些过程都有一个共同点：它们的主要成分是来自运转良好的分子机器的现有代码。  6park.com

但是基因组不仅仅包含基因：实际上，例如，人类基因组中只有百分之几实际上编码基因。 旁边是大量的DNA，通常被标记为“垃圾DNA”，似乎缺乏任何功能。 其中一些序列与蛋白质编码基因共享特征，而实际上却不是基因本身：例如，它们散布着三个字母的密码子，从理论上讲，它们可以告诉细胞将密码翻译成蛋白质。 6park.com
直到二十一世纪，科学家才开始发现暗示，DNA的非编码部分可能导致新的蛋白质功能编码。 随着基因测序的发展，研究人员可以比较近亲的整个基因组，他们开始寻找证据证明基因在进化过程中可能很快消失。 这使他们想知道基因是否能够像这样迅速地出现。 6park.com
在2006年和2007年，加利福尼亚大学戴维斯分校的进化遗传学家David Begun发表了许多被认为是第一个研究果蝇中新生的特定基因的论文3，4 。 这些研究将这些基因与雄性生殖联系起来：Begun发现它们在睾丸和精液腺中表达，似乎性选择的强大进化力推动了基因的诞生。 6park.com
在此之前不久，西班牙巴塞罗那医院德尔玛医学研究所的进化基因组学家马尔·阿尔巴（MarAlbà）证明，从进化上讲，基因越年轻，进化的速度就越快5 。 她推测这可能是因为较年轻的基因编码的分子不太精细，需要更多的调节，这可能是由于基因从头产生的结果-它们与以前的功能没有那么紧密的联系从较老的基因进化而来。 Albà和Begun都记得发布有关该主题的早期工作具有挑战性。 “人们对此持怀疑态度，”阿尔巴说。 “事情发生了变化，真是太神奇了。” 6park.com
研究也开始揭露从头基因的作用。 例如，一个基因可以使拟南芥（ 拟南芥 ）产生淀粉，而另一个可以帮助酵母细胞生长。 理解他们为主机做的工作应该有助于解释它们为什么存在-为什么从头开始创建而不是从现有材料中发展有利。 Begun说：“如果我们不了解它们在做什么，我们就不会理解为什么这些基因在进化。”
等待基因 6park.com
研究从头基因成为部分遗传学，部分思想实验。 “为什么我们的领域如此困难？”宾夕法尼亚州匹兹堡大学的Anne-Ruxandra Carvunis问。 “这是因为哲学问题。” Carvunis十年来一直在问这个问题：什么是基因？ 6park.com
通常将基因定义为编码功能分子的DNA或RNA序列。 然而，酵母基因组具有成千上万个序列，称为开放阅读框（ORF），理论上可以将其翻译成蛋白质，但是遗传学家认为，与紧密相关的生物体相比，它们要么太短，要么看起来就太不同了。一个可能的功能。  6park.com
当Carvunis为博士学位研究酵母ORF时，她开始怀疑并非所有这些部分都处于休眠状态。 在2012年发表的一项研究6中，她研究了这些ORF是否被转录为RNA并翻译为蛋白质-就像基因一样，其中许多是-尽管尚不清楚这些蛋白质是否对酵母有用，还是尚不清楚它们的翻译水平足够高，可以发挥功能。 “那是什么基因？ 我不知道，” Carvunis说。 不过，她认为她发现的是“原始材料-蓄积了进化的力量”。 6park.com
这些等待中的基因中的一些，或者Carvunis和她的同事称之为原始基因，比其他基因更像基因，具有更长的序列和更多的将DNA转化为蛋白质的指令。 原基因可以为进化将非编码材料转化为真实基因提供沃土。 “这就像是Beta发布，”都柏林三一学院的分子进化研究人员Aoife McLysaght建议。 6park.com
一些研究人员超出了观察范围，可以操纵生物体表达非编码材料。 瑞典乌普萨拉大学的迈克尔·诺普（Michael Knopp）和他的同事表明，将随机产生的ORF插入并表达到大肠杆菌中可以增强细菌对抗生素的抗性，其中一个序列产生的肽可将抗性提高48倍7 。 使用类似的方法，德国普伦市马克斯·普朗克进化生物学研究所的Diethard Tautz和他的团队表明，一半的序列减慢了细菌的生长，四分之一似乎加快了细菌的生长速度8 –尽管结果尚有争议。 此类研究表明，来自随机序列的肽可能具有令人惊讶的功能。 6park.com
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研究人员对水稻菌株Oryza sativa japonica进行了研究，发现其中的175个基因是从头产生的 
但是，图森亚利桑那大学的进化生物学家乔安娜·马塞尔（Joanna Masel）说，但是随机的DNA序列也可以编码“反应性和令人讨厌的肽，并具有聚集和做坏事的趋势”。 以低水平表达这些序列可以帮助自然选择清除潜在的危险部分（那些产生混乱或错误折叠的蛋白质的部分），从而使物种中的残留物相对温和。 6park.com
Albà说，从非编码区创建基因可能比其他基因制造方法有一些好处。 她说，基因复制是一种“非常保守的机制”，它可以从与祖先相同的布料上切出适应性强的蛋白质。 相反， 从头基因可能产生明显不同的分子。 这可能会使它们难以适应成熟的基因和蛋白质网络-但它们也可能更适合某些新任务。 6park.com
例如，新产生的基因可以帮助有机体应对其环境的变化。 鳕鱼似乎就是这种情况。鳕鱼大约在1500万年前就在北半球冷却时获得了其抗冻蛋白。
出生率 6park.com
为了追溯从头开始产生生物体的哪些基因，研究人员需要对该生物体及其近亲的全面测序。 符合条件的一种农作物是水稻。 尽管工作条件有待考验，但海南酷热的天气是中国南部的热带岛屿，是种植农作物的理想环境。 “这太可怕了，”伊利诺伊州芝加哥大学的进化遗传学家Manyuan Long说。 太热了，“你可以在沙子里煮鸡蛋了”。 6park.com
Long的团队想知道在Oryza sativa japonica菌株中从头出现了多少个基因，以及这些基因可能产生什么蛋白质。 因此，研究小组将其基因组与近亲的基因进行了排列，并使用一种算法来挑选出某些物种中包含基因但在其他物种中却缺少基因的区域。 这使研究人员能够识别导致该基因的非编码DNA，并追踪其成为基因的过程。 他们还可以计算该菌株中从头出现的基因数量：340万年进化中的175个基因9 （同一时期，该菌株从复制中获得的基因数量是其8倍）。  6park.com
这项研究是该领域最大的关注之一：如何确定基因是否真正从头开始 。 答案千差万别，方法还在不断发展。 例如，一项早期研究发现，在整个灵长类动物中，有15个从头开始的基因； 10个在整个灵长类动物中。 后来的尝试仅在人类中发现60例11 。 寻找候选新生基因的一种选择是使用一种算法来搜索相关物种中的相似基因。 如果什么都没有出现，那么该基因可能从头出现了。 但是，找不到亲戚并??不意味着就没有亲戚：该基因可能在此过程中丢失了，或者其形状已经偏离其亲戚。 水稻研究通过明确鉴定成为新基因的非编码DNA片段来解决这一问题。 6park.com
在漫长的进化过程中-比水稻的进化要长几百万年-很难区分一个从头基因和一个仅与祖先相距太远而无法识别的基因，因此确定了具有Tautz说， 从头出现而不是从重复出现“是一个几乎无法回答的问题”。 6park.com
为了证明不同方法的结果有多大差异，位于大学城的德克萨斯农工大学的进化遗传学家克劳迪奥·卡索拉使用替代方法重新分析了先前研究的结果，但未能验证他们提出的40％的从头基因。 对于Casola而言，这表明需要标准化测试。 他说，目前，“这似乎非常不一致”。 6park.com
对人类基因组中的从头基因进行计数同样需要注意。 但是，在已经确定从头基因的地方，研究人员开始探索它们在健康和疾病中的作用。 张和他的同事发现，人类独有的一个基因在阿尔茨海默氏病患者的大脑中以更高的水平表达13 ，而先前的工作14将该基因的某些变异与尼古丁依赖性相关联。 对于张来说，将新生基因与人脑联系起来的研究令人着迷。 他说：“我们知道使人成为人类的就是我们的大脑，因此必须有一些遗传工具来推动我们的大脑进化。”这为将来的研究提供了一条途径。 张认为，研究人员可以通过人类类器官的实验研究遗传试剂盒，人类类器官是作为模型器官的培养细胞。 6park.com
从头基因也可能对理解癌症有影响。 人类和黑猩猩特有的这种基因之一，已与神经母细胞瘤小鼠模型15的癌症进展相关。 而人类乳头瘤病毒的致癌版本包括一个以非致癌形式不存在的基因16 。 6park.com
许多从头基因仍未鉴定，因此该过程对健康和疾病的潜在重要性尚不清楚。 Carvunis说：“要完全了解它对人类健康的贡献程度以及对人类物种起源的贡献程度，还需要一些时间。” 6park.com
尽管从头基因仍然是个谜，但它们的存在却使我们清楚地看到了一件事：进化可以轻易地从一无所有中产生某些东西。 卡索拉说：“使用从头基因的优点之一是它显示了动态基因组的状况。”
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自然 574，314-316（2019）
https://www.nature.com/articles/d41586-019-03061-x
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