【關鍵專訪】中研院研究員呂俊毅：「必要基因」可在演化中快速改變，打破過往學界認知

你知道「需要」和「想要」的差別嗎？若是沒有「需要」的物質，生活可能會大大不便、生活受影響，但若少了「想要」的物質，你還是可以過得下去，只是可能心情會有些受影響。

讓我們把這觀念套用到基因上。每種不同的生物體都由成千上萬的基因所組成，有些是可有可無、有些則還不確定其功能。在這當中有一批基因若是缺少或壞掉了，那這生物的存活機會將大大受到影響，也可能危及性命。是什麼基因這麼重要？在科學界，我們稱他們為「必要基因」（Essential gene）。

隨著時間的演化，不同的基因可能改變，而能幫助物種更有生存優勢的基因，則傾向被保留下來。「必要基因」是當中能協助物種存活最重要的一群基因，我們已經知道有些人類疾病之所以會發生，與必要基因受損、缺失或發生突變有關。也因為他們是如此重要，在演化上便具有高度守性（highly conserved）。

然而這樣的認知，卻被一篇刊登在《自然生態與演化》（Nature Ecology & Evolution）期刊上的研究打破。在這篇3月底刊出的研究，團隊發現部分必要基因竟也可能在演化的過程中發生快速改變。究竟該怎麼去解讀這樣的研究結果？我們訪問到帶領研究的中研院分子生物研究所特聘研究員呂俊毅，來為我們解惑。

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必要基因對生物體的存活有什麼重要性？

「必要基因」是指細胞中不可或缺且與生存至關重要的基因，已知許多人類疾病，都與必要基因功能受損或發生突變有關。因為必要基因常常參與在細胞最基本的生理功能，所以也保留在所有生物中，就像生物體體內的活化石。

「基本上必要基因的定義很簡單，不管你的生物系統是什麼，當把其細胞內的基因去掉或抑制，該細胞在最正常的情況下都還會死掉，那個基因就稱之為必要基因。」呂俊毅解釋道，一般來說，這樣的基因所參與的都是屬於比較基本的功能，如細胞的分裂、DNA的複製和RNA的轉錄、蛋白質的轉譯等等。

以酵母菌來說，必要基因約占其所有5500個基因的20％。但人類的必要基因有多少目前還有些眾說紛紜，不過科學家估計不同物種雖有一些差異，但必要基因大概就是占所有基因的五分之一到三分之一。

就是因為必要基因所參與的生物功能是如此基礎，讓他們的存在性變得難以取代。這也是過去科學界對於必要基因的認知，也就是其具有高度保守性。然而呂俊毅團隊的實驗結果卻有了讓人意外的發現：至少有10％的必要基因，其基因序列的變化是相當快速的，因而造成其原來功能與作用的方式產生改變。

不對啊，啊不是說必要基因改變，細胞就活不下去？

可是話又說回來，剛剛不是一直強調必要基因只要有變化或消失，那生物體是無法存活的，但為什麼實驗中的酵母菌卻存活下來了呢？

「這是一個非常有趣的問題，也是我們整個論文裡面想去探討的問題。」呂俊毅舉了一個生活化的例子：想像你今天要從台北到高雄，可以選擇走路、騎車或開車；無論方法為何，「到高雄」這個目的是一定要達到的。在上述例子中，「到高雄」就是基因所負責的基礎功能，不論用什麼工具，最終一定要做到這件事情，但不同物種的細胞可能有不同的方法（走路、騎車或開車）去達成同樣的目的。

最後演化雖然會讓最有效率達成目的的方法保留，在上述的例子中當然就是開車了。不過未達成目的要「開什麼車去」，那就可能變化了。如果該細胞希望用比較「省油」的方式，那他可能選油耗較少的車；如果是希望用最快的速度達到目的，那他可能選的是跑車。雖然手段上產生些微的變化，但細胞希望達到的最終目的維持不變。

「在我們的研究裡面，我們看到的類似剛剛講的例子──不同的物種（細胞）雖然可以執行同樣功能，可是在進行作用的蛋白質之間，他們開始去做一些調整。」呂俊毅說，倒過來想其實就是細胞內蛋白質在達成原本的功用之外，可能還可以做一些外加的事情，得到一些額外的好處。

圖片來源：維基百科

選酵母菌來做實驗，又快又便宜

這次的研究當中，呂俊毅團隊用了酵母菌進行實驗。「我覺得最大的優點在於生長速度非常快，平均一個世代只要90分鐘，因此在做實驗的時候就能很快觀察到你要的結果。」

呂俊毅說，同樣的實驗如果在老鼠身上做，可能要做個5年、10年才會做完，但在酵母菌身上只要1、2年就做完了。

另外，酵母菌還很便宜。「養酵母菌，他所需要的錢大概跟一般養人類細胞或是老鼠比起來，可能差到有50倍或100倍。」特別是這次實驗中，需要全面性的看接近100種不同的必要基因，規模很大，若要使用更為複雜的生物系統來做，所需的花費會比酵母菌高出許多。

但是當然用酵母菌做實驗也還是有缺點的。「因為他只有5000多個基因，其實相對是一個簡單的系統，很多較為複雜的機制就沒辦法看到。例如說人類細胞的免疫作用。」但這次的研究主題聚焦在必要基因，因此這樣的缺點影響較小。

做基礎研究「有什麼用」？這樣的思考方式恐淪為片面思考

做基礎研究的人，經常會被問到一個問題，就是「這個發現對人類有什麼用？」

「我們其實在思考這些問題的時候，是從很基礎的生物好奇心去回答的......我想或許許多人最在意的是人類的福祉和健康，但是在想問題時不能總是想著要了解疾病、治療疾病才算對人類有所貢獻。」呂俊毅說，自己這樣做研究下來，經常從一些很基礎的生物問題，意外發現重大的影響。但是假如一開始就認定基礎研究不值一提，那許多重要且牽涉廣大的生理機能，可能就不會完全的被理解。