本文最初发表于 The Conversation。
Omer Gokcumen 是生物科学副教授，就职于 纽约州立大学布法罗分校。
黏液无处不在。它塑造了你身体液体的稠度，从你嘴里的唾液到覆盖在你器官上的黏液。它保护你免受病原体的侵害，包括 冠状病毒，同时在你嘴里为 数十亿有益细菌 提供栖息地。它帮助 蛞蝓进行“蜘蛛侠式”的性行为 挂在墙上， 盲鳗将水变成快速膨胀的黏液， 七鳃鳗过滤它们的食物，以及 雨燕筑巢。
但是，尽管黏液对所有形式的复杂生命都至关重要，但其进化起源一直模糊不清。
我是一名 进化遗传学家，研究人类及其基因组是如何进化的。我和我的同事们，包括我长期合作的 Stefan Ruhl 以及我的学生 Petar Pajic，在我们 最近发表的论文 中，着手解决了这个进化难题。我们首先研究了不同物种是如何产生唾液黏液的。我们发现，黏液为我们打开了一扇窗，让我们得以了解重复 DNA 在进化奥秘中扮演的角色。
什么是粘蛋白？
黏液由 称为粘蛋白的蛋白质 组成，它们是糖分子的载体。这些糖分子是产生黏滑感的主要“工头”。
与其他通常具有复杂三维形状的蛋白质不同，粘蛋白通常呈长而坚硬的杆状。糖分子沿着杆的长度附着，形成复杂的刷状结构。
蛋白质结构单元与其结合的糖之间的这种反复的合作关系，对于粘蛋白的特性至关重要。这些结构可以附着在其他粘蛋白和微生物上，改变周围液体的物理特性，使其成为粘稠滑腻的物质。
黏液的进化
尽管粘蛋白具有非凡的特性，并在生物学中发挥着至关重要的作用，但它们是如何进化的，一直困扰着科学家。
为了开始研究粘蛋白的进化起源，我和我的同事们首先在 49 种哺乳动物中寻找粘蛋白的共同基因祖先。毕竟，进化通常是修修补补，很少从头发明。新基因最容易的进化方式就是 复制和粘贴 现有的基因，并对新副本进行微小改动，以适应环境变化。一个物种独立地从零开始创造一个复杂的粘蛋白的可能性是微乎其微的。我们的研究团队确信，复制和粘贴现有的粘蛋白基因，然后对其进行适应特定物种需求的改造，是粘蛋白进化的主要驱动力。
但我们最初的假设并不完全准确。基因组中复制和粘贴粘蛋白基因应该会产生彼此相似的子代基因。尽管有些粘蛋白符合我们的标准，但之前一项对人类所有已知编码粘蛋白的基因进行的回顾性研究发现，存在一些 “孤儿”粘蛋白，它们不属于任何基因家族。它们孤零零地存在于广阔的人类基因组景观中。
然后，我们专注于在遗传数据库中搜索数十种物种的基因组中的这些孤儿基因。我们发现了 15 个在不同哺乳动物中进化出的新粘蛋白基因的实例，它们与已知的粘蛋白基因没有任何联系。
然而，进一步的研究表明，这些粘蛋白基因毕竟还是有亲戚的。它们与其他富含 氨基酸脯氨酸 的杆状蛋白质共享祖先，而这些蛋白质通常 存在于唾液中。然而，这些富含脯氨酸的蛋白质没有帮助粘蛋白与糖分子结合的关键重复蛋白质结构。
我们假设，这些富含脯氨酸的蛋白质可以通过重复添加称为糖蛋白的与糖分子结合的蛋白质，进行“粘蛋白化”。为了验证这一点，我们将编码粘蛋白的基因序列与人类等不同哺乳动物中编码富含脯氨酸的蛋白质的基因序列进行了比较。我们发现这些序列高度相似。唯一的区别是粘蛋白中存在重复的 糖蛋白片段。这意味着，通过添加这些重复片段的副本，某些蛋白质可以转化为粘蛋白。
重复 DNA 和进化
我们的发现揭示了各种生物体内粘蛋白的多样性，为我们提供了观察进化适应性“黏滑游乐场”的视角。
研究人员常常忽略 重复的遗传序列，因为它们很少出现在编码细胞中执行许多生物学功能的蛋白质的基因内。但在粘蛋白的情况下，从头创建重复序列是其进化的主要引擎。我们 早期在灵长类动物上的研究 表明，给定粘蛋白中重复的糖结合片段的数量可能是决定其与其他粘蛋白差异的因素。
重复遗传序列的添加也可能在不引人注目的情况下塑造基因组的其他功能。事实上，这种 串联重复 是人类基因组中一种常见的突变类型，而 近期研究 暗示了它们在人类个体生物学差异中未被发现的作用。
粘蛋白与人类健康
了解粘蛋白的工作原理也将帮助研究人员更好地理解一系列疾病。
当粘蛋白功能失调时，可能导致疾病。患有功能失调的 CFTR 基因 的人会患上 囊性纤维化，导致他们的身体无法清除肺部黏液，呼吸困难。功能失调的粘蛋白调控也 与癌症发展有关。
虽然可能不明显，但你很可能与粘蛋白有个人联系。两年前，在我母亲被诊断出癌症后，我去拜访了她。雨刚刚停歇，伊斯坦布尔的街道变成了一个熙熙攘攘的村庄，里面有令人不安的大型蜗牛。在我母亲的短暂散步中，我着迷地捡起了一只蜗牛，这让她惊恐不已。
我没有勇气告诉她，这种让这些神奇生物能够移动的生物机制，正是帮助她肺部肿瘤生长的机制。这让我想起了科学家迈克尔·法拉第的话：“无论你看什么，只要看得足够仔细，你就会与整个宇宙息息相关。”
