系统与合成生物学重燃「侏罗纪公园」希望

前言

发现并总结生物系统的基本规律和构建人工生物装置或系统是密不可分的一体两面，也决定了系统生物学与合成生物学的内在联系。自系统生物学研究方法与发育生物学等研究方向结合，合成生物学方法也逐渐开始发挥在基础研究领域的理论验证作用。近年来，系统生物学研究方法开始逐渐进入传统分类学和古生物学研究领域并涌现出不少出色的研究成果。其中，一些结合了传统古生物形态分类学、发育生物学、系统生物学的研究尤其引人关注。“复原”或“再设计”仿古生物的目标真的可行吗？合成生物学时代的“人造生命”能否实现发育过程调控的“模块化”与“标准化”，进而开创出一片极富可能性的新兴研究领域？今天，我们撰文关注这一话题。希望为读者朋友带来一些启发。

“侏罗纪梦想”

23 年前，电影《侏罗纪公园》的上映在全球范围内引起轰动，这部自小说改编的好莱坞电影用前所未有的特效技术将博物馆复原图中呆板且了无生气的远古巨兽以栩栩如生的方式呈现在观众面前。

小说和电影中对于恐龙复原方式的解释也充满了新奇的生命科学概念。科学家对来自琥珀及其它古生物化石中的古 DNA 分子进行提取和修复，再利用克隆技术培育出恐龙胚胎并将这些恐龙用于商业盈利……这部电影上映的时间甚至比后来引起舆论对胚胎和发育研究广泛关注的克隆羊 Dolly 诞生还早了 3 年。

在 1993 年上映的《侏罗纪公园》中，一段动画被用于向观众解释恐龙如何通过分子生物学技术被复原出来。这个以单链 DNA 分子为设计原型的名为 Mr. DNA 的卡通人物将一段来自爪蟾的 DNA 序列拼接到破损的恐龙 DNA 分子上，这一幕今天看起来丝毫不过时，特别是当单链核酸分子介导的基因编辑技术获得广泛应用的当下，这一幕竟让人产生了少许隐喻感，带来了一分有趣的联想。值得一提的是爪蟾是人类最早实现体细胞核移植克隆的模式生物。Figure from ‘Jurassic Park’

在 1993 年上映的《侏罗纪公园》中，一段动画被用于向观众解释恐龙如何通过分子生物学技术被复原出来。这个以单链 DNA 分子为设计原型的名为 Mr. DNA 的卡通人物将一段来自爪蟾的 DNA 序列拼接到破损的恐龙 DNA 分子上，这一幕今天看起来丝毫不过时，特别是当单链核酸分子介导的基因编辑技术获得广泛应用的当下，这一幕竟让人产生了少许隐喻感，带来了一分有趣的联想。值得一提的是爪蟾是人类最早实现体细胞核移植克隆的模式生物。Figure from ‘Jurassic Park’

《侏罗纪公园》无疑是一部里程碑式的科幻电影，这部影片以其超越时代的科学意识和特效技术在上世纪末席卷全球，极大普及了众多在当时看来非常时髦的生命科学概念。DNA 修复、基因编辑、跨物种基因嵌合、人造生命、细胞内系统噪音、克隆技术、人工进化……如果单单提取出电影中密集出现的现代生命科学概念，完全感受不到这是一部 20 多年前的作品。通过对古生物遗传信息的提取、修补，人类可以创造出地球上貌似“存在过”，却实际上并不存在的新物种。这样的剧情设定不仅在当时十分吸引人，即使在今天看来依然对所有生命科学爱好者充满诱惑。

《侏罗纪公园》的原著作者 Michael Crichton 2002 年在哈佛大学演讲时的照片，Michael Crichton 一生创作颇丰，而且很多作品被改编为电影。他本人也同时具有作家、导演、制片人、软件公司老板等多种角色，Michael Crichton 已于 2008 年去世。Photo by Jon Chase from Harvard News Office

《侏罗纪公园》出色的科学意识来自其同名原著小说作者 Michael Crichton 深厚的生命科学背景，这位于 1964 年入读哈佛大学文学院，后转修人类学系的天才作家最终毕业于哈佛大学医学院，并在加州沙克生物研究中心完成了自己的博士后研究。这位在文学和电影领域取得巨大成功的职业作家在 1993 年《侏罗纪公园》公映时达到了自己的职业顶峰。伴随着电影上映四年后来自爱丁堡市罗斯林研究所的克隆羊 Dolly 在全球舆论场制造的巨大话题效应，90 年代成为分子生物学概念和知识在公众语境中迅速普及传播的一个黄金年代。时至今日，在 MIT 从事前沿基因编辑技术研究的张峰博士依然会在演说中提及《侏罗纪公园》曾经给他带来的影响。

1996 年诞生于英国爱丁堡的克隆羊 Dolly 是第一个被成功克隆的哺乳动物个体。相比于离现实遥远的《侏罗纪公园》所描绘的技术路线，体细胞核移植技术的迅猛发展使其被作为“复活”已灭绝生物的首选技术。Photo from BBSRC。克隆技术之父 John Gurdon 毕业于著名的伊顿公学，右图展示了他当时获得的老师评语："..I believe he has ideas about becoming a scientist; on his present showing this is quite ridiculous…" Photo by Sir John B. Gurdon

《侏罗纪公园》的巨大成功也使得人们一次次讨论其古生物复原技术的可行性，虽然科学家清楚这样的技术路线在现实条件下是不可能完成的任务，但是对于古 DNA 研究依然抱有希望的人们总是期待有一天我们的技术能力有可能为人类带来类似的惊喜。

破灭的希望

在过去的 20 年中，系统生物学、合成生物学、发育生物学、DNA 测序与合成技术、基因编辑技术等等生命科学的科学理论和应用技术都得到了巨大发展。人类对于生命制造的技术能力早已超越了细胞核移植技术的层次和范畴。2006 年，日本京都大学山中伸弥团队主导的诱导性多能干细胞（Induced pluripotent stem cells，iPS）研究成果面世，随后与胚胎核移植技术的先驱人物 John Gurdon 共同获得诺贝尔奖。2010 年，Craig Venter 领导的团队宣布成功合成全套原核生物基因组序列，并在 2016 年宣布了合成仅包含 437 个基因的最简基因组的研究成果，这是迄今为止已知的基因组最简单的细胞生物。

古生物学家 Morten Allentoft 正在处理一种大型远古巨鸟 Moa 的骨化石，这项研究发现 DNA 分子的半衰期可能仅有 521 年。虽然这项研究结论摧毁了获得恐龙 DNA 序列的梦想，但是也证明 DNA 分子的遗传信息可能可以保存上百万年。Photo from website of Nature

虽然在单细胞水平上“人造生命”的成果和研究计划一再涌现，多细胞生物水平上干细胞发育研究如火如荼，但是利用这些技术复原神秘的远古生物却依然是不可能的任务。这是因为遗传信息最重要的载体——DNA 分子本身非常脆弱，2012 年，著名的 Nature 在其网站上以新闻报导的方式介绍了一项由来自澳洲和丹麦的研究成果。这一题为’The half-life of DNA in bone: measuring decay kinetics in 158 dated fossils’的研究发表在《皇家学会学报 B》上。Morten Allentoft 等研究者通过对来自新西兰的恐鸟种类 Moa（600 到 8,000 年前）腿骨化石中的古 DNA 进行研究，得出结论认为 DNA 分子在保存条件相当稳定的化石中半衰期大约为 521 年，这个半衰期相比于恐龙灭绝至今的 6500 万年而言实在太短太短了。这一研究成果的出现，相当于直接宣布了《侏罗纪公园》小说和电影中所描绘的技术路线可行性近乎为零，因为依据该研究团队预测，即使是稳定保存在 -5℃条件下的 DNA 样本，在 150 万年后也几乎无法获得有效序列。

这样的结果对于生物学家来说无疑是非常“令人心痛的”。但与此同时，对于酷爱古生物学的公众或学者而言，又是一个令人释然的结论。我们终于不必再指望有一天从世界的某个角落发现一个携带了恐龙 DNA 的琥珀来实现我们大胆的梦想。

长了“恐龙脸”的鸡胚

真的已经山穷水尽了吗？——倒也未必。

实际上所有的“复原”都是一种再创造的过程，在电影《侏罗纪公园》中，作者和编剧都在反复给观众灌输一种观念：我们“复制”出来的恐龙其实完全是我们自己创造出来的新物种。而只不过这种创造是基于恐龙和现代生物之间存在的亲缘关系。在《侏罗纪公园》中，科学家使用了非洲爪蟾的基因去“修补”缺失的恐龙基因，并因此制造出了完全超出预期的生物性状，为之后发生的灾难性故事埋下了伏笔。在现实中，也许恐龙自己的基因组或基因无法在化石遗迹中保存 6500 万年，但是恐龙的子孙后代却作为其祖先基因的天然容器活跃在世界的各个角落。尽管漫长的进化过程使得恐龙的基因组已经变异得面目模糊，但是或许那些隐藏在鸟类基因组中的“恐龙遗迹”并没有想象中那么难以追寻。

2007 年，来自美国的研究者 M.H Schweitzer 及同事在 Science 杂志发表文章‘Analyses of Soft Tissue from Tyrannosaurus rex Suggest the Presence of Protein’，声称在雷克斯暴龙的骨骼化石中发现了残留的胶原蛋白并用质谱技术进行了验证。2015 年，英国研究团队在白垩纪恐龙骨化石中观察到了疑似纤维结构，并且利用质谱技术分离到了具有胶原蛋白物质特征的成分，甚至发现了疑似红细胞的残留微结构。这一系列颇具争议性的发现似乎暗示蛋白质分子有机会在漫长的历史中保存下来。

扫描电镜下的恐龙爪和肋骨样本，图 a、b 中红色部分为富含碳的物质，其中图 b 被认为出现了疑似红细胞的结构，图 c、d 展示了化石样本中的纤维结构。Figure from Sergio Bertazzo et al. Fibres and cellular structures preserved in 75-million–year-old dinosaur specimens. [J] Nature communications 2015

“鸟类是恐龙的后代”——这是现代生物学普遍接受的观点，鸟类甚至有着“活着的兽脚类恐龙”之称。越来越多的证据让今天的我们知道有些恐龙不但可能全身长满羽毛，甚至还是一种庞大的温血动物。2012 年，Nature 杂志发表了一项惊人的研究成果，来自哈佛大学的 Arhat Abzhanov 团队对鸟类头骨的形态发生进行了研究，发现鸟类头骨与恐龙头骨化石之间的变化也许并没有看起来那么大。研究者利用对鸟类的头骨和大量恐龙头骨化石进行 Principal-component Analysis (主成分分析 PCA)以研究有代表性的头骨特征，发现鸟类头骨很有可能类似于恐龙头骨的稚育（paedomorphic）版本，也就是说，鸟类的头骨实际上保持了许多恐龙幼体的头骨形态特征，而这一进化趋势有可能是为了适应加速的个体发育过程和逐渐复杂的神经系统功能。

鸟类甚至有着“活着的兽脚类恐龙”之称，这是一张包含兽脚亚目恐龙与鸟类的进化谱系图。Figure from Bhart-Anjan S. Bhullar et al. Birds have paedomorphic dinosaur skulls.[J]Nature, VOL 487,12 July 2012.

Arhat Abzhanov 团队在研究中发现，较早从兽脚亚目分支进化的鳄类，其胚胎头骨形态结构（绿色）类似于中国辽宁发现的成年孔子鸟头骨结构（右红），左红为成年短吻鳄头骨结构。鳄类、鸟类是现存的两个与恐龙亲缘关系较近的生物类别，这一发现表明鸟类头部形态可能体现了一种稚育特征。Figure from Bhart-Anjan S. Bhullar et al. Birds have paedomorphic dinosaur skulls.[J]Nature, VOL 487,12 July 2012.

就在 2015 年，Arhat Abzhanov 团队在 Evolution 杂志发表了这一研究成果的后续，这一次，他们的研究令人震惊。通过对头骨关键特征变化背后的分子机制进行分析，结合发育生物学已知的研究成果，研究团队找出了在鸡颅面部骨骼特有特征发育过程中起关键调控作用的调控因子及其分布图式。随后，他们将含有生长因子抑制剂的微珠埋入胚胎特定部位以影响鸡胚颅面部骨骼的发育过程。成功改变鸡胚胎头骨发育过程中生长因子的分布及作用图式，制造出了具有类似古鸟类头骨特征的“恐龙脸”鸡胚。经过比较分析，这些“恐龙脸”鸡胚具有类似迅猛龙和始祖鸟头骨化石的结构特点。这些“不正常”的鸡胚随后被科研人员处死，但是这一研究除了制造出吸引眼球的“恐龙脸”鸡胚之外，还给古生物学、进化生物学、发育生物学、合成生物学、系统生物学研究带来了广泛深刻的启发。

“恐龙脸”鸡胚一经发表即引发关注，Arhat Abzhanov 团队通过介入鸡胚胎的发育调控过程培育出具有返祖颅面特征的鸡胚，虽然这些鸡胚随后被终止发育。Figure from Bhart-Anjan S. Bhullar et al. A molecular mechanism for the origin of a key evolutionary innovation, the bird beak and palate, revealed by an integrative approach to major transitions in vertebrate history. [J] Evolution, 2015.

首先，这一研究提出了一种相当新颖的研究范式：将传统古生物学化石形态研究与现代发育生物学、分子生物学研究结合在一起，先通过骨骼关键特征的变化推测发育过程的变化，进而利用分子发育生物学已知的知识推测其背后的分子机制。再利用分子生物学手段介入发育过程，改变关键调控分子的作用，最终验证之前的一系列推论并“复原”出某些古生物特征。

其次，这种研究范式使得进化研究不再受制于单纯依赖化石证据造成的古生物特征“离散式”描述。这些通过分子技术介入实现的“逆向进化”样本容易呈现出介于已知化石特征之间的“过渡特征”，科学家也许难以证实这种特征是否真的在地球上出现过，但这种特征对于填补进化空白，支持进化理论具有重大参考作用。

第三，相比难以获得的远古 DNA 和遗传信息，大量的古生物遗传信息依然遗留在现代物种的体内。通过对生物发育过程与生物进化过程之间微妙关联（生物发生律）的深入研究，部分甚至大部分地“复原”古生物的关键形态特征或许并不是只在科幻作品中才存在的幻想。虽然不难想象，很多遗传信息在进化过程中不可逆地丢失了，并且我们永远也无法复原这些遗传信息，但是科学家还有机会以再创造的方式在形态特征上“复原”出某些与化石特征相符的个体。这些生物是彻头彻尾的“人造生物”及新物种，却也有着不可估量的科学价值甚至商业价值。

注：Recapitulation heory ，“生物发生律”或称“重演率”，是 Haeckel 总结的一种观点，认为个体发育过程是物种演化历史简单而快速的重演。“An individual organism's biological development, or ontogeny, parallels and summarises its species' evolutionary development, or phylogeny”

尚未开拓的未来

中国是世界上古生物研究资源最丰富的地区之一。单就恐龙化石资源而言，中国的恐龙化石种类之丰富全球罕见，是世界上发现恐龙数量最多的国家，超过 130 种。在全球恐龙研究领域，中国贡献了大量里程碑式的科研成果，具有举足轻重的地位。但与中国极丰富的古生物化石资源不匹配的是相对低迷的古生物流行文化与古生物学学科发展。我国开设古生物学课程的高等院校数量少，古生物学专业培养的学生也相当有限，这限制着古生物学与新兴学科交叉的机会。在研究方法上，古生物学也需要刺激其进一步与新兴学科结合的环境与动力。

天津自然博物馆陈列的合川马门溪龙化石，合川马门溪龙化石发现于宜宾市马鸣溪渡，身高 7 米，全长可达 35 米，是亚洲已知的最大恐龙种类。马门溪龙化石在中国各大城市自然都被列为镇馆之宝。为了纪念这一发现，2016 年在建的重庆合川涪江四桥在桥拱设计上借鉴了合川马门溪龙的脊骨形态。（图片来源：中国国土资源部网站。）

发育生物学、演化生物学、合成生物学与传统古生物研究的结合毫无疑问将开创一个充满可能性的研究领域。与追求进化背后的规律不同，合成生物学工程学思想的介入，将能够对生物发育过程中的分子机制进行系统分析并建立一套对独立性状或性状组高度可控的合成生物学方法。以“性状模拟”为目标，对现代生物进行工程化改造研究，进而推动“精控返祖育种”或“精细局部性状控制”这一育种方向走进现实，将有望对所有相关学科产生重大影响。

中国人的祖先曾经以观赏性价值为选育目的利用人工选择的方式从鲫鱼品种中选育出金鱼品种，并给科学技术、审美文化、经济运行、生活方式等诸多面向带来了广泛深远的改变。今天的合成生物学同样具备这样的潜力。虽然我们还将面临诸多挑战，科学家面临的问题不仅仅来自于技术，也来自于伦理学和生物安全方面的要求。但也许在不久的将来，一座充满了新奇生物的“现代侏罗纪公园”真的会出现在这个星球上。

参考文献

1、Bhullar, B.A., et al., A molecular mechanism for the origin of a key evolutionary innovation, the bird beak and palate, revealed by an integrative approach to major transitions in vertebrate history. Evolution, 2015. 69(7): p. 1665-77.

2、Bhullar, B.A., et al., Birds have paedomorphic dinosaur skulls. Nature, 2012. 487(7406): p. 223-6.

3、Bertazzo, S., et al., Fibres and cellular structures preserved in 75-million-year-old dinosaur specimens. Nat Commun, 2015. 6: p. 7352.

4、Allentoft, M.E., et al., The half-life of DNA in bone: measuring decay kinetics in 158 dated fossils. Proc Biol Sci, 2012. 279(1748): p. 4724-33.

5、Helms, J.A. and R.A. Schneider, Cranial skeletal biology. Nature, 2003. 423(6937): p. 326-31.

6、Wilmut, I., et al., Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells. Nature, 1997. 385(6619): p. 810-3.

7、Schweitzer, M.H., et al., Analyses of soft tissue from Tyrannosaurus rex suggest the presence of protein. Science, 2007. 316(5822): p. 277-80.

（文章首发于微信公众号：蓝晶实验室 BluephaLab）