在真核生物的基因組中常可以找到不少副本基因（duplicated genes），究竟為何要這麼浪費資源來製造副本？由芝加哥大學生態及演化系的中研院院士李文雄領導的研究小組就在Nature的一篇文章探討副本基因對個體的適應性之影響。
在分子遺傳學實驗中，要知道一個基因的功用是什麼，最好的方法之一是把它剔除掉，看看會造成怎麼樣的表型。可是有時候把一個生物的某基因剔除掉後，它可能活得比你還好－－完全沒有任何異常表型。這有可能是因為有些基因在演化的還程中被複製了而有多餘的貝份，而造成多餘性（redundancy）。或者也有可能是因為細胞內還有其他補償性的生化途適應性造成的效果。
關於副本基因的想法可追溯至卅年前，Susumo Ohno認為天擇只不過是在多餘性產生時再作修飾。Ohno主張基因副本不是生物的負擔，反而是演化多樣化的原料－－換句話說副本充許新基因功能的演化。一個貝份的基因可以維持原來的功能，而另一個則可以累積突變而可能發展出新功能。在現在這個全基因組定序的時代，Ohno的假說得到許多支持者，因為基因副本在基因組裡隨處可見，甚至還可見到一段基因組的副本。然而「單基因」（singletons）和副本基因的演化適應性－－成殖成就的效果還未在基因組層次上被研究。
副本基因的別一個功用還可能是：它們可以緩衝環境的擾亂和突變－－即有備無患，因為一個基因被抑制了，另一個還可以完成相似的功能。這樣的情況讓許多研究人員傷腦筋，因為拜副本基因所賜，剔除掉了有些基因後實驗生物還是活得頗快樂。而李文雄等人就是要攻克這個頭痛的現象背後的問題。
他們研究的是功能基因組學家喜愛的出芽酵母菌（Saccharomyces cerevisiae），它的基因組早在六年前被完整定了序。在之前大規模的研究中，幾乎它的6357個基因都被一一剔除掉過。然後在五種影響發酵和呼吸各異的培養基研究其效果，突變酵母菌的適應性以其生長率同正常株相比較而測得。
他們利用這些資料的好處來決定副本基因和單基因對適應性的影響。利用電腦，他們先尋找有高度相似程度的序列－－能有五成以上可配對的序列。相似的序列表示它們可能是從單一基因複製而來的。他們結果發現有四分之一的基因都有副本。而相似的程度相暗示了基因何時被複製以及功能的相似度。愈年輕的基因副本之間的相似程度愈高，分家後愈久，則功能就相差愈遠甚至成為無功能的偽基因。
他們利用得到的基因副本數來重新分析適應性。他們的發現顯示剔除掉單基因對適應性的影響比有副本的還劇烈。刪掉12.4%有副本的基因會造成致命效果，這比單基因的29%來得小。刪掉了64.3%有副本的基因毫無影響或影響甚微，而只有39.5%的單基因如此。這樣的結果可以被解釋為功能補償嗎？如果是的話，則分別刪掉兩個相似的基因應該效果相似，並與隨機刪掉兩個基因的效果不同。這也就是他們所發現的結果。
或許你也會想到，分別刪掉相似程度愈高的副本，效果差異應比刪掉分歧程度高的副本更小。不巧的，這也就是他們發現的結果。然而平均上，刪掉高分化程度的基因副本，對適應性的影響還是比單基因小，顯示還有一定程度的補償性。他們還利用DNA微陣列實驗的資料，發現有趣的是對適應性在副本基因在高度表現時的負面影響比刪掉其中一個還大。
這都表示基因副本提供了功能儲備，即使兩個基因的副本分歧開了，還是能在一定程度上取代對方。加上在許多不同物種之間，許多基因或基因網路都還是相似的，那Ohno就大錯特錯了。副本基因是否只是維持發育穏定性和功能保守性而非演化創新性？那麼生命的多樣性又如何而來？
問題的答案可能是新基因調控序列的演化、從單一基因產生的替換蛋白質產物（alternative protein products）以及副本基因被發配到不同互動網路。這些重要的功能和基因複製的關係還未明。大量的副本基因和副本基因組部分的發現是基因組計劃的副產物。近來的比較基因組學研究顯示，複製率差不多是一百萬年百分之一的基因，在演化的尺度上來說是頗高的。
我們只是剛開始瞭基因組的可塑性以及如何在擾亂中處變不驚。何如染色體片段的重組和複製也是常見的。李文雄等人估計有23-59%的副本基因造成遺傳的堅固性（robustness）。這就是為何副本基因沒變成偽基因或根據基本族群遺傳學理論所預測的快速地掛掉。德國Univ. Konstanz的分子演化學家Axel Meyer認為多基因功能的存在和發配到新基因網路也可能是另外的解釋。
原學術論文：
Gu, Z., Steinmetz, L. M. Gu, X., Scharfe, C., Davis, R. W. & Li, W.-H. Role of duplicate genes in genetic robustness against null mutations. Nature 421, 63–66 (2003).
這就是會搞生物資訊學的好處，有了好idea，一個實驗也不需要做，光分析data就出了篇Nature的好paper。
李文雄院士本人曾說，他準備在中央研究院建立一個實驗室研究酵母菌的副本基因等，需要有生命科學實驗和資訊科學背景的人才。有興趣者請與他聯絡。
--參考來源：
Meyer, A. Duplication, duplication. Nature 421, 31 - 32 (2003)
--相關連結：
李文雄
http://pondside.uchicago.edu/ecol-evol/faculty/li_w.html
圖中示意基因副本的複製興分化（突變的累積和調節區的突變），摘自Sean B. Carroll, Jennifer K. Grenier & Scott D. Weatherbee. (2001) From DNA to Diversity: Molecular Genetics and the Evolution of Animal Design. Malden, MA: Blackwell Science Inc.
本文原刊登於SciScape：
http://www.sciscape.org/news_detail.php?news_id=945 
