大約在 800 萬到 1200 萬年前，包括人類在內的類人猿的祖先經歷了劇烈的基因變化。小段 DNA 像草坪上的蒲公英一樣複製並散佈在它們所在的染色體上。但是，當這些“蒲公英種子”散佈開來時，它們會攜帶一些草和雛菊種子——額外的 DNA 片段——一同前進。這種不尋常的模式，在基因組的不同部分重複出現，僅在類人猿（倭黑猩猩、黑猩猩、大猩猩和人類）中發現。
“我認為這是人類進化中缺失的一塊拼圖，”西雅圖華盛頓大學的遺傳學家埃文·艾希勒說。“我的感覺是，這些重複片段是新基因誕生的基質。”
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在過去的幾年裡，科學家們已經開始揭示這些區域中少數基因的功能；它們似乎在大腦中起著重要的作用，與新細胞的生長以及大腦的大小和發育有關。9 月，艾希勒的團隊發表了一種新技術，用於分析這些基因在人與人之間的差異，這可能會進一步揭示它們的功能。
關於複製過程及其影響的許多內容仍然是個謎。艾希勒和其他人不知道是什麼刺激了最初的複製回合，或者這些被稱為“核心複製子”的區域是如何複製並在基因組中移動的。
儘管與複製相關的基因在人類進化中具有潛在的重要性，但大多數基因尚未得到廣泛分析。重複區域的重複結構使得使用標準的遺傳方法研究它們特別困難——最有效的 DNA 測序方法首先將基因組切成碎片，讀取小塊的序列，然後像拼圖一樣組裝這些片段。嘗試組裝重複部分就像嘗試拼湊一個由幾乎相同圖案的碎片組成的拼圖。
“由於這些區域非常複雜，它們經常被常規的基因組研究忽略，一些區域仍然沒有完全測序，”科羅拉多大學醫學院奧羅拉分校的遺傳學家詹姆斯·西凱拉說。“因此，它們不僅重要，而且不幸的是，它們沒有得到研究。”
基因爆發
2007 年，艾希勒和他的合作者承擔了一項看似艱鉅的任務——全面研究人類基因組的重複片段。之前的研究已經描述了個別區域，但艾希勒的團隊採用了新的計算技術和比較基因組學——比較來自不同物種的 DNA 序列——來檢查整個基因組。當年發表在《自然遺傳學》上的數學分析揭示了一組“核心複製子”——在特定染色體上反覆出現的 DNA 片段。
核心複製子是一個結構複雜的 DNA 片段的錨點，作為較大複製塊的焦點。儘管科學家們不確定是如何發生的，但核心似乎會掃過相鄰的 DNA 片段，複製整個片段並將新副本插入到染色體的新位置。“然後它再次拾起並複製其周圍的一些序列，並移動到另一個新位置，”艾希勒說。“它似乎是一個極不穩定的遺傳元素，為進化變化提供了模板。”
正是這個過程似乎創造了新的基因：當新的複製插入基因組時，它們將兩個以前陌生的 DNA 片段結合在一起，這可能會導致新的功能成分，例如蛋白質。這種混亂的混合搭配方法不同於傳統的基因創造模型，在該模型中，現有基因被複制，副本可以自由地開發新功能。
休斯頓貝勒醫學院的遺傳學家菲利普·黑斯廷斯說：“這種機制在我們進化過程中似乎具有開創性意義。”“我們之所以成為現在的樣子，很可能是因為這種產生染色體結構劇烈變化的機制。”
複製子產生的模式似乎是類人猿獨有的，這表明該機制本身也是這些物種獨有的。在其他動物中，重複區域彼此相鄰排列，而不是沿染色體分散排列。
類人猿中的重複區域往往非常活躍，這意味著它們的基因比其他區域的基因更頻繁地開啟，並且它們產生更多的 RNA 和蛋白質。這表明這些區域在功能上很重要。
艾希勒和其他人到目前為止僅描述了大約十幾個複製子區域中的一半的結構，每個區域對其所在的染色體都是獨一無二的。迄今為止的大多數分析都集中在該區域的進化歷史，包括基因來自哪裡、它們的進化速度以及它們彼此之間的關係。艾希勒說，他的團隊在理解它們的功能方面遇到了更大的困難，儘管他和其他人已經設法研究了少數與複製相關的基因的功能。
科學家們所知道的是，這些基因在進化中似乎很重要。根據艾希勒的說法，與核心複製子相關的基因家族中大約三分之一顯示出正選擇的跡象——這意味著它們可以提高攜帶者的生存能力並傳遞給下一代，從而促進進化——而總體基因的比例約為 5%。事實上，在十多年前首次描述的其中一個核心上的一個基因似乎是進化最快的人類基因。然而，艾希勒警告說，在這些人類或猿特異性基因中衡量正選擇是很棘手的，因為科學家們幾乎沒有可與之比較的基因。為了衡量選擇，科學家通常會比較不同物種中的基因，以檢查它的變化程度。
就像樹幹的年輪一樣，核心複製子的外部區域是最新的，來自最新一輪的複製。這些區域也往往因人而異。因此，它們可能會導致疾病——重要基因或 DNA 片段的額外或刪除的副本可能會影響細胞或器官的功能。艾希勒的團隊的目標是使用他們在 9 月份的《自然方法》論文中描述的新方法來跟蹤重複區域的變異，這可以深入瞭解這些基因的功能。研究人員將尋找這些區域內 30 個人類特異性基因在患有智力障礙和癲癇等發育障礙的兒童中的變異。如果某個基因或區域的變化與特定特徵（如大腦大小的變化）可靠地相關聯，則可以提示該基因的功能。
艾希勒說，迄今為止研究的與複製相關的基因“似乎對細胞增殖很重要，無論是加速還是減慢它。”“它們在許多組織中表達，但在大腦中高度表達，通常在神經元中，並且通常在細胞快速分裂的區域中表達。” 事實上，當某些基因過度活躍時，它們會與癌症相關聯。
更大的大腦
大約在 340 萬年前，人類後代中現在被稱為 1 號染色體上的一個核心複製子進行了其特徵性的跳躍之一，並帶走了一個名為 SRGAP2 的基因的副本。大約一百萬年後，它再次跳躍，創造了原始基因的孫女。迄今為止，在基因組中檢查過的其他哺乳動物都沒有該基因的多個副本，並且這種跳躍與人類進化的關鍵點相吻合：當南方古猿進化為能人時，200 萬至 300 萬年前，人類的大腦正在逐漸擴大一倍。
被稱為 SRGAP2C 的孫女基因對於人類大腦可能尤為重要。2012 年，艾希勒的團隊和聖地亞哥附近的斯克裡普斯研究所的一個小組表明，SRGAP2C 可以影響神經元在發育中的大腦中的遷移方式。透過在小鼠中表達該基因的人類版本，斯克裡普斯團隊表明，SRGAP2C 可以減緩某些腦細胞的成熟，並觸發更密集的神經元結構（稱為棘）的發展，從而有助於在大腦細胞之間形成連線。“我並不是說它導致了人類大腦的擴張，但它可能在使神經前體[產生神經元的細胞]到達正確的位置方面發揮作用，”艾希勒說。
SRGAP2 的發現表明，人類特異性的基因變化如何導致神經元的變化。“這正是該領域所缺失的，”達拉斯德克薩斯大學西南醫學中心的神經科學家吉納維芙·科諾普卡說。“人們已經確定了人類譜系中的獨特變化，但他們還沒有以任何功能性方式對它們進行跟進。”
科諾普卡說，諸如 SRGAP2 論文之類的研究，深入研究基因的功能，可以幫助闡明人類特異性基因變化在我們物種發展中所起的作用。“任何時候你能夠證明人類基因組中的某些東西是獨特的，以及它如何改變生物學，這都是一件獨特而重要的事情，”她說。
雙刃劍 DNA
核心複製子代表著某種進化賭博。使新基因得以產生的相同的遺傳不穩定性也可能會破壞或刪除現有基因或產生過多副本，這也許可以解釋我們對疾病的某些易感性。重複片段的部分已與多種腦部疾病相關聯，包括智力障礙、精神分裂症和癲癇。
當研究人員搜尋在人類中比其他類人猿更頻繁地複製的遺傳區域時，一段名為 DUF1220 的短 DNA 片段引起了他們的注意。DUF1220 在人類中的複製速度比基因組的任何其他蛋白質編碼區域都快，並且與大腦大小有關，這表明它促進了人類大腦的進化，也與疾病有關，這表明該基因片段太少或太多都可能有害。
DUF1220 本身不是一個基因，而是在一個基因家族中發現的遺傳成分——該家族中的每個基因攜帶 5 到 50 個複製。總體而言，人類擁有超過 250 個 DUF1220 複製，其他大型猿類擁有 90 到 125 個，猴子大約 30 個，而非靈長類動物則少於 10 個。2012 年，Sikela 及其合作者使用特殊工具計算了健康人群中的複製數量，發現某人擁有的複製越多，其灰質（由神經細胞組成的大腦部分）就越大。
儘管 DUF 重複序列似乎在腦容量方面提供了進化優勢，但也可能產生有害影響。DUF 重複序列集中在 1 號染色體上一個不穩定的區域，稱為 1q21。該區域的缺失或重複與多種疾病有關，包括自閉症、精神分裂症、心臟病以及小頭畸形或巨頭畸形，即某人的大腦分別異常地小或大。Sikela 的團隊發現，在 1q21 區域的所有序列中，DUF1220 重複序列的數量與患有小頭畸形的人的腦容量聯絡最為緊密。“人類譜系中複製數量的大幅增加付出了慘重的代價，”Sikela 說。
根據 Sikela 的說法，額外的複製使得該區域不穩定，使得該區域的基因更有可能被進一步刪除或重複。“這是我們為 DUF 的好處必須付出的代價，這是進化賦予我們的權衡，”他說。
未知的領域
雖然核心重複序列是人類進化背後驅動力的證據正在增長，但仍有許多問題懸而未決。例如，尚不清楚是什麼觸發了這些核心的產生或它們是如何傳播的。一種流行的理論指向一類被稱為逆轉錄病毒的病毒，它們可以將 DNA 插入到宿主的基因組中，然後代代相傳。也許逆轉錄病毒是最初核心重複序列的罪魁禍首。已知我們基因組的很大一部分來自已經留下 DNA 印記但不再在細胞中活躍的病毒。“我最喜歡的假設是，在大型猿類進化的關鍵時刻，逆轉錄病毒活動爆發了，”英國萊斯特大學的遺傳學家愛德華·霍洛克斯 (Edward Hollox) 說。
有趣的是，曾經在我們基因組中如此活躍的核心重複序列似乎已經放慢或停止了跳躍。儘管有證據表明大型猿類的進化史中出現了幾次爆發，但科學家們尚未發現過去幾百萬年中發生的重複。Eichler 的團隊一直在尋找此類案例，發現了一些較新的重複，科學家們認為這些重複是人類特有的，並且與尼安德特人不同。“但它們是例外，而不是規則，”他說。
目前尚不清楚核心重複序列在我們物種的形成中發揮了多大的作用。“很難提供一個關於大型猿類進化的總體理論，”霍洛克斯說。“毫無疑問，核心重複序列假說是其中的一部分。它貢獻了多少，目前仍在討論中。”
研究表明，其他因素（如基因調控——特定基因何時何地被啟用）也發揮著作用。但是，基因調控的變化可能不足以解釋靈長類動物和人類之間的所有差異。“我知道大腦進化會有多種途徑，”科諾普卡說，並補充說核心重複序列“可能是主要的參與者之一”。
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