趣谈基因相似性：你和猪之间只差十条蚯蚓？

刘柏岐

“你真是头猪”这句经常作为朋友之间调侃的话，近些年来被越来越多的科学研究证明可能真有几分道理。科学家将猪的基因组与人的基因组进行相似性比对后发现，它们之间有极高的相似性。也就是说，人和猪确实“共享”了很多基因。生物基因组间的相似与不同构成了千姿百态的生物界，难解的DNA编码犹如天书一般，让物种的命运从出生时就被注定。

在动植物界，有很多物种与人类的基因组存在相似性。这其中既有黑猩猩一类灵长目近亲，也有酵母、香蕉等与人类完全不搭界的物种。有哪些物种的基因组与人类基因组相似性较高？这种相似性产生的原因是什么？研究不同物种间的基因相似性又有什么用呢？

与人类“相似”的那些物种

黑猩猩

黑猩猩是目前与人类基因组相似程度最高的动物。研究表明，黑猩猩的基因组与人类基因组的相似性为98. 6%～99 %。从形态特征以及生殖过程来看，黑猩猩都很接近人类，基因组有很高的相似性也不足为奇。进化基因组学的研究显示，人类的祖先与黑猩猩的祖先在500万～600万年前分开，各自进化成了现在的形态。

灵长目其他物种也与的人类的基因组相似性极高。例如，大猩猩与人的相似性达到98%，红毛大猩猩达到97%。除此以外，各种猴乃至狐猴都与人“共享”了90%以上的基因。

猫

目前的研究表明，猫和人类的基因组相似性高达90%，这也从一个侧面反映出猫的智慧程度可能超过我们对它们的固有印象。人类对猫的驯化发生在大约1万年前，而且可能是猫主动将自己委身于这种共生关系中。证据显示，当时的野猫以捕猎田鼠作为交易筹码接近人类，从而获取一点额外的蛋白质和食物。

奶牛

是的，你没有看错，我们的基因组跟奶牛的也有80%左右的相似性，这一数据甚至高于与我们拥有更近共同祖先的啮齿类。科学家给出的解释是，啮齿类更小的体形催生了更短的繁殖周期和更强的繁殖能力，从而使得种群的演化能力和基因突变进程大大加速。

小鼠

如果只比较蛋白质编码基因，小鼠有85%的基因与人类相似，但将人类和小鼠的非编码RNA进行比较，只有50%具有相似性。科学家估计，小鼠的祖先和人类的祖先大约在8000万年前分开，各自进化。小鼠作为目前科学研究中最常用的模式动物，与人类基因组相似性较高是很重要的原因。

果蝇

看似跟人类体形差距极大、外貌特征完全不一样的果蝇，与人类基因组的相似性居然有60%。可能很多人不敢相信，但基因组比对的结果确实证明了人类体内有一半以上的基因跟果蝇是相似的。

鸡

鸡的生殖方式跟哺乳动物完全不同。尽管在繁殖后代上存在着巨大的差异，但基因组比对的结果显示，鸡的体内依然有60%的基因与人类相似。

香蕉

盘点中唯一一种植物出现了，它就是香蕉！一种连动物都不是的生物，居然跟人类的基因有50%的相似性。虽然不可思议，但从生物学角度来说，确实也有合理的解释，我们将会在后文详细介绍。

酵母

酵母是一种单细胞真菌，因为在生物学实验中经常会用到，所以有人将它的基因组与人的基因组进行了比较，结果发现这种单细胞生物依然有26%的基因与人类相似。盘点中为何没有常见的其他动物

不少常见动物在盘点中缺席，并不代表在自然界中与人类基因组相似的生物只有这8种。这8种生物之所以在列，是因为人类已经完成了对它们的基因组测序，而且有科学家完成了比对工作。

全基因组测序费时、费力、费钱，所以目前完成全基因组测序的大多属于有科研价值以及有经济价值的生物。例如，澳大利亚考拉在2018年刚完成全基因组测序，考拉每年为澳大利亚带来10亿美元的直接经济收益，而且为世界人民所喜爱，拥有自己的基因图谱想来也不过分。

自然界中必然还存在很多跟人类基因组非常相似的物种，只不过因为没有完成全基因组测序，没有办法进行相似性比对，具体的相似性数据不为人类所知罢了。

相似性比较的标准是什么

上面提到的基因组相似性，大多数指的是编码蛋白质基因的相似性。但在人类染色体中，编码基因只占整个DNA序列的1. 5%-2%，也就是说，其他98%的区域并没有用来进行相似性比较。

为什么只比对这么少的区间就能说两个物种存在相似性呢？这是因为在生物体内发挥功能的基因大多数是这些编码基因，其他非编码区域被认为是“垃圾区域”。因此，仅仅比较这些编码蛋白的基因序列，就可以判断不同物种之间相似性的大小了。

然而，随着科学家对染色体认识的加深，近些年发现这些“垃圾区域”也会通过转录出非编码RNA或者染色体折叠的方式，间接影响细胞的生理活性。因此，目前的比对结果还不够精确，相信随着我们对生命运行规律的不断解读，将会得到更加科学的结果。

香蕉凭什么有50%的相似性

为什么像香蕉、果蝇、鸡、酵母这些跟人类天差地别的生物，还依然有较大的相似性呢？

首先，我们从生物体基本构成的角度来解释这个问题。不管是酵母、香蕉、果蝇还是鸡，都属于真核生物，而真核生物都是由真核细胞构成的。所有的真核细胞都具有以下几个特点：具有由染色体、核仁、核液、双层核膜等构成的细胞核;有内质网、高尔基体、溶酶体、线粒体等细胞器;有发达的细胞骨架系统：转录方式基本一致;等等。

尽管这些不同的物种外貌差别很大，但从细胞水平来看，基本结构都是相似的。由于这些基本结构的形成是由基因决定的，所以也就不难理解为什么植物和微生物还能跟人类的基因组有一定的相似性了。

其次，也可以从生物进化的角度来解释。不管是动植物还是微生物，最初都是由共同祖先进化而来的。所以，不同生物之间或多或少都遺留着共同祖先的一些基因特征。

随着各物种向不同的方向进化，基因之间的差异也就越来越大。这也是为什么上述几种生物中，黑猩猩与人类基因组的相似性最高，而酵母与人类基因组的相似性最低了。

跨物种基因比对有何意义

随着越来越多物种全基因组测序的完成，我们还会发现更多跟人类基因组相似的动植物。实际上，比对差异很大的物种的娱乐效果超过实际意义。但对进化角度上亲缘关系较近的物种进行类似的基因比对研究，是目前进化基因组学最有力的研究手段。

通过基因比对，可以厘清不同近缘生物的亲缘关系，确定它们种间分化发生的大致时期，把握物种演化的脉络，等等。

地球上的现存生物虽然各自经历了亿万年的进化历程，但都可以追溯到共同的祖先，从这个角度来说，与香蕉拥有50%的共同基因其实不值得我们大惊小怪。

（责任编辑：白玉磊）