粘液无处不在。它塑造了你体液的稠度，从你嘴里的唾液到覆盖你器官的粘液。它可以保护您免受包括冠状病毒在内的病原体的侵害，同时在您的口腔中为数十亿友好细菌创造一个家。它帮助蛞蝓从墙上悬挂蜘蛛侠性爱，盲鳗将水变成快速膨胀的粘液，七鳃鳗过滤食物，金丝燕筑巢。

但是，虽然粘液对于所有形式的复杂生命都是必不可少的，但它的进化起源仍然不明朗。

我是一名进化遗传学家，研究人类及其基因组如何进化。与我的同事，包括我的长期合作者 Stefan Ruhl 和我的学生 Petar Pajic，我们在最近发表的论文中解决了这个进化难题。我们首先研究了不同物种的唾液粘液是如何制成的。我们发现粘液打开了一扇窗户，让我们了解重复 DNA 在进化之谜中所起的作用。

什么是粘蛋白？

粘液由称为粘蛋白的蛋白质组成，粘蛋白是糖分子的容器。这些糖是使事情变得粘糊糊的关键工头。

与其他通常具有复杂 3D 形状的蛋白质不同，粘蛋白通常呈长而硬的棒状。糖分子沿着棒的长度附着，形成复杂的刷状结构。

蛋白质构件和与其结合的糖之间的这种伙伴关系，一遍又一遍地重复，对粘蛋白的特性至关重要。这些结构可以粘在其他粘蛋白和微生物上，将它们周围的液体的物理性质改变成粘稠的物质。

史莱姆的进化

尽管粘蛋白具有非凡的特性以及它们在生物学中的重要作用，但它们是如何进化的却一直困扰着科学家。

为了弄清楚粘蛋白的进化起源，我和我的同事们首先在 49 个哺乳动物物种中寻找粘蛋白的共同遗传祖先。毕竟，进化经常修补，但很少发明。新基因进化的最简单方法是复制和粘贴现有基因，并对新基因进行小改动以适应环境情况。一个物种从零开始独立发明复杂粘蛋白的机会很小。我们的研究团队确信，复制和粘贴现有的粘蛋白基因以适应特定物种的需求是粘蛋白进化的主要驱动力。

但我们最初的假设被证明是不完整的。在基因组中复制和粘贴粘蛋白基因应该会产生彼此相似的子基因。尽管有些粘蛋白确实符合我们的标准，但之前的一项研究回顾了人类所有已知的粘蛋白编码基因，发现了许多不属于任何基因家族的“孤儿”粘蛋白。它们单独存在于人类基因组的广阔景观中。

然后，我们专注于在遗传数据库中数十个物种的基因组中寻找这些孤儿基因。我们发现了 15 个在不同哺乳动物中进化的新粘蛋白基因实例，它们与已知的粘蛋白基因没有任何联系。

然而，进一步的研究表明，这些粘蛋白基因确实有亲属关系。它们与其他富含氨基酸脯氨酸的棒状蛋白有共同的祖先，而脯氨酸在唾液中很常见。然而，这些富含脯氨酸的蛋白质不具有帮助粘蛋白与糖分子结合的关键重复蛋白质结构。

我们假设这些富含脯氨酸的蛋白质可以通过反复添加与糖分子结合的蛋白质（称为糖蛋白）进行“粘蛋白化”。为了测试这一点，我们比较了不同哺乳动物（包括人类）中编码粘蛋白的基因序列和编码富含脯氨酸的蛋白质的基因序列。我们发现序列高度相似。唯一的区别是粘蛋白中存在重复的糖蛋白片段。这意味着某些蛋白质可以通过添加这些重复片段的副本来转化为粘蛋白。

重复 DNA 与进化

我们的发现揭示了整个生物中粘蛋白的多样性，为进化的泥泞的适应游乐场打开了一个视野。

研究人员经常忽略重复的基因序列，因为它们很少出现在编码在细胞中执行许多生物学功能的蛋白质的基因中。但在粘蛋白的情况下，从头开始创建重复序列被证明是它们进化的主要引擎。我们早期在灵长类动物中的研究表明，给定粘蛋白中重复的糖结合片段的数量可能是决定其与其他粘蛋白差异的因素。

重复基因序列​的添加也可能谨慎地塑造整个基因组的其他功能。事实上，这种串联重复是人类基因组中一种常见的突变类型，最近的研究暗示了它们在人与人之间的生物变异中未被发现的作用。

粘蛋白与人类健康

了解粘蛋白的工作原理也将有助于研究人员更好地了解多种疾病。

当粘蛋白不能正常工作时，它会导致疾病。CFTR 基因出现故障的人会发展为囊性纤维化，他们的身体无法清除肺部的粘液并导致呼吸困难。失灵的粘蛋白调节也与癌症的发展有关。

尽管可能并不明显，但您可能与粘蛋白有个人联系。两年前，我母亲被诊断出癌症后，我去看望了她。雨刚刚结束，伊斯坦布尔的街道变成了一个熙熙攘攘的村庄，到处都是令人不安的大蜗牛。在与母亲短暂的散步中，我着迷地捡起一只蜗牛，这让她非常害怕。

我不忍心告诉她，让这些令人敬畏的生物移动的生物学机制与帮助她肺部肿瘤生长的生物学机制相同。它让我想起了科学家迈克尔法拉第的话：“无论你看什么，如果你看的足够仔细，你就参与了整个宇宙。”