必需基因：生命不可或缺的基因
生物需要許多基因合作以維持生命，但是每一個基因的重要性並不等同。必需基因（essential gene），也翻譯為必要基因。在過去的認知中，大多數必需基因負責基本的細胞功能，並在不同物種之間共享。必需基因理應都要非常保守，且演化速度緩慢。
簡單說，必需基因就是「對生物不可或缺的基因」。問題是：什麼是不可或缺？呂俊毅解釋，不同生物各有特色，所以哪些基因必需，也會有所差異。
例如人類的生命需要心臟持續跳動，假如某基因缺失使得心臟無法運作，對人類而言這個基因就是必需基因。可是對於沒有心臟的生物，這個基因的作用不一定攸關生死，不見得就是必需基因。更進一步想，人類是多細胞生物，全身只有少數細胞負責心臟運轉；因此所謂必需基因的真正不可或缺之處，其實僅限於這些基因在少數細胞中的特定作用。
呂俊毅選擇的研究材料「酵母菌」是單細胞生物，全身上下只有一個細胞。和人類一樣屬於真核生物，酵母菌卻沒有許多細胞可以分工合作，凡事都要單打獨鬥。呂俊毅強調，和多細胞生物相比，酵母菌這類單細胞生物的必需基因，大部分負責細胞更基本的功能，所以探索酵母菌必需基因獲得的知識，也可望用於大部分真核生物。
這項研究想回答的核心問題是：是否所有必需基因都是以類似的緩慢速度演化？演化速度是否會受到特定因素而加快？
圖｜AI 生成
都是必需基因，不同物種可以替換嗎？
呂俊毅團隊的論文總共涉及五種酵母菌的比較。他表示，每次向旁人解釋不同酵母菌都不容易，一般人都知道「酵母菌」，卻不容易想像「酵母菌分為很多物種」是什麼意思。呂俊毅一番苦思後終於想到，可以用脊椎動物來類比。
例如，人類、猴子、大象、鳥類、魚類都是脊椎動物，人類和不同動物都在某個時刻有共同祖先。以人類為比較對象，和魚類在超過 4 億年前分家，鳥類在將近 3 億年前分家，大象在 1 億年前分家，猴子在數千萬年前分家。也就是一群多細胞的脊椎動物，在最近幾億年之間陸續分家衍生出「不同種脊椎動物」。
用同樣的思維想像酵母菌，便不難理解何謂「不同種酵母菌」。呂俊毅主要的研究對象是釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），比較其餘四種酵母菌，分別為分家 4.2 億年的粟酒裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe），分家 2.7 億年的 Yarrowia lipolytica（YL 酵母），分家 1 億年的 Kluyveromyces lactis（KL 酵母），以及分家 5 千萬年的 Naumovozyma castellii（NC 酵母）。一如人、猴、魚是分家許久的脊椎動物，它們也都是酵母菌，卻也是演化上分開許久的不同種生物。
圖｜研之有物（資料來源：呂俊毅）
釀酒酵母作為單細胞真核生物的代表，是研究最多的生物之一。它的基因組上總共有數千個基因，其中 1033 個，約 18% 比例為必需基因。倘若缺乏任何一個必需基因，一個釀酒酵母細胞便會死亡。
其餘四種酵母菌的細胞功能類似釀酒酵母，假如必需基因這麼重要，漫長的演化過程中改變有限，那麼不同酵母菌「對應的必需基因」（詳見註 1），彼此之間是否可以互換，例如把釀酒酵母的「1 號必需基因」換成 KL 酵母的「1 號必需基因」？
呂俊毅的研究團隊一共選出釀酒酵母的 84 個必需基因，人為替換成其餘四種酵母菌對應的必需基因，觀察其生長狀況。儘管受限於資源和實驗條件，沒辦法顧及所有的必需基因，不過呂俊毅強調，這 84 個基因涵蓋大部分已知的功能分類，具有足夠代表性。
圖｜研之有物（資料來源：呂俊毅）
50% 必需基因，傾向保持不變
如果必需基因那麼重要，生物代代相傳的過程中應該更傾向保持不變，而實際情況確實如此，許多必需基因在漫長的時光中變化很少。實驗結果發現有 44 個（佔 52%），也就是大約一半的必需基因，可以置換為任一物種的對應基因，稱為靜態型（Static）。
可以互換的，表示演化中的變異很少。例如去除釀酒酵母的 1 號必需基因，換上 NC 酵母、 KL 酵母、YL 酵母，或粟酒裂殖酵母的 1 號必需基因，都可以順利生長。這項觀察意謂著，從功能上來說，許多必需基因在演化上相當保守（conserved），即使已經在不同物種中演化很長時間，還是足以勝任原本的工作。
然而，原有的必需基因被替換後，就算依然可以存活與生長，也不是毫無影響。釀酒酵母自身的必需基因被取代後，普遍觀察到生長狀況不如過往。這表示對釀酒酵母而言，來自親戚的必需基因可以用，卻沒有自己本來的那麼好用。
其餘一半基因是什麼狀況呢？一部分是演化分家較早的物種，必需基因無法替換，但是分家較晚的可以。例如分家較久的粟酒裂殖酵母基因不能使用，可是分家較近的 KL 酵母可以。這類基因有 25 個，佔整體 29% 的比例不低，稱為漸變型（Gradual）。
生物在代代相傳的過程中會累積差異，親戚之間的分歧愈來愈多，所以來自分家較早的物種，分歧更多之必需基因無法替換，並不難想像。
值得一提的是，基因序列的差異多寡，未必和能否替代直接相關。呂俊毅團隊實際觀察到，某些序列差異不少的基因，依然能被釀酒酵母使用，反之亦然。演化學家分析這類問題時，往往習慣以整個基因的 DNA、蛋白質序列的差異切入；呂俊毅卻提出實驗結果支持：基因實際的作用結果，還是要透過實驗才能驗證。
還有一小部分 7 個（佔 8%）必需基因的狀況是，分家較久的必需基因可以替換，分家較近的反而不行。例如釀酒酵母可以換上粟酒裂殖酵母的「2 號必需基因」，卻不能使用 KL 酵母的「2 號必需基因」，稱為跳點型（Punctuate）。
呂俊毅推測，這是因為該物種在分家以後，又產生了專屬於該物種的獨特性，使得其他物種的基因無法與其相通。從研究角度來看，這類基因記錄了該物種有別於親戚的特殊之處，如果題目是探討「物種如何變得與眾不同？」將是很適合的研究對象。
圖｜研之有物（資料來源：呂俊毅）
乍看做一樣的工作，卻不再是同樣的基因
呂俊毅團隊更進一步探討的，是另一小群佔整體 10% 的 8 個必需基因，稱為快速型（Fast）。實驗證實，這 8 個必需基因，都不能被其他 4 個物種的對應基因替換。舉例來說，釀酒酵母的 3 號基因，也無法用 KL 酵母、NC 酵母等相近物種的 3 號基因來取代。這意謂著，理應不能大幅改變的必需基因，也有可能在演化中快速累積變異和分歧，與親戚基因不能彼此互換，否則會危及細胞生命。
仔細檢視是哪些基因，呂俊毅抓到端倪：這批快速型（Fast）必需基因的蛋白質產物都不是單獨作用，而會與其他蛋白質共同作用，形成「蛋白質複合體」（protein complex）。
由此推論，一旦基因產物成為複合體中的一員，本身可以容忍的變化程度，似乎會增加。即使是任何時刻都不可或缺的必需基因，也能獲得機會累積變異。
呂俊毅接著思考，既然處於複合體中作用的必需基因，可能累積明顯變異，那麼同時替換必需基因，以及共同作用的複合體夥伴基因，應該有機會恢復整組功能？例如將釀酒酵母的 3 號基因、3 號夥伴基因，同時替換為 KL 酵母的 3 號基因及 3 號夥伴基因。結果出來，團隊觀察到 6 組成功案例，可見這些必需基因較大的變異，是與其複合體內夥伴基因共同演化的結果。
然而，依然有 2 個必需基因，不論怎樣實驗測試的組合都無法復原功能；看來它們的歧異，已經大到難以簡單彌補的階段。可以說，快速型這類的必需基因，乍看之下在不同種酵母菌做著一樣的工作，可是實際上，它們已經不再是同樣的基因了。
就算不可或缺，在複合體中也有改變機會
一系列實驗結果表明，大部分必需基因確實符合理論預期（靜態型），就算序列持續累積差異，對生物必需的功能依然變異有限。演化上分家幾億年之不同物種的基因，替換後還是足以維繫細胞的存活。另外也有 8% 的少量必需基因（跳點型），在某一物種獨自衍生與眾不同的特殊性，不再能與親戚相容。
然而，呂俊毅團隊透過系統性的替換實驗也觀察到：有 10% 必需基因可以累積較大的變化（快速型）。儘管缺乏直接證據，根據必需基因的性質還是能推論，這類改變的演化速度想必相當迅速。因為單細胞生物的必需基因一旦失能，命運只有死亡！若是還能生存、繁衍後代，直至被我們見到，酵母菌當初勢必很快克服了致命突變。
也可以想像酵母菌在演化史上，必需基因產生較大改變的次數，肯定比如今見到的更多。但是這些改變往往對生存不利，使得具有該突變的個體競爭力不如同類，更容易遭到淘汰。現今我們還能見到改變較多的必需基因，都是通過漫長考驗的生還者。
必需基因的改變，在演化上有什麼意義？從個體角度出發，「求生」是生物的本能，就算是渺小的單細胞生物也不想死。假如必需基因發生突變，依然能生存下去，對個體而言當然是好事。
因此，基因如何增強其突變穩健性（mutational robustness），也就是增加對變化的容忍度，為演化學上一個非常重要的問題。
可是從物種的角度看，容許「突變劣質品」存在，豈不會拖累整體的品質？問題的關鍵其實是：所謂的「突變劣質品」，是不是提供了其他的好處？呂俊毅表示，在確保原有工作仍可以正常運轉下，新突變除了增加族群中的多樣性，如果它又有可能衍生出新功能，也就是演化創新（novelty），來增加生物的適應力，這樣的突變就有更高的機率被保留下來。
圖｜研之有物（資料來源：呂俊毅）
獨立也能運作，為什麼要一起合作？
呂俊毅認為這項研究也能解釋「蛋白質複合體」的存在意義。很多不同基因形成的蛋白質產物，會結合成複合體一起工作。但是同樣的蛋白質們，在細菌這類原核生物中有時候是單獨工作，表示這些工作不一定要透過複合體也能完成。那麼蛋白質複合體有什麼意義呢？
從研究來看，變得快的必需基因就像「蛋白質複合體」裡面的零件。一個複合體中可以包含好幾個必需基因，就像一架大型機器中有很多不可或缺的零件。零件們各司其職才能讓機器運轉，如果單一零件發生改變，對整個大機器的相對影響較小，更有機會包容改變帶來的負擔。
如此一來，複合體對變化的容忍度增加了，又能提升穩定性，使得整體工作不至於因為一處零件就整個停擺。容忍度和穩定性增加，長期下來，又能提高由於改變而受惠的適應力。
簡單說就是，生物不至於因為單一基因出現些許改變就直接死亡，還能生存並繁衍後代之下，累積的變化在未來，又有機會成為創新的原料。
這項研究直接得知釀酒酵母有明顯改變的必需基因，乍看之下比例不高，數目很少。但是考慮到，每種生物蛋白質複合體的絕對數目都不少，例如在釀酒酵母的基因體，大約有半數的基因產物會形成蛋白質複合體。其中有多少能藉由上述的原則來快速演化，並影響生物的適應力，將是一個值得繼續探討的問題。
圖｜研之有物
演化學：生物的「為什麼？」
由上述研究可以知道，呂俊毅擅長透過精密設計的分子生物學實驗，解答演化學的基本問題。他表示自己讀博士的領域是細胞減數分裂，和演化一點關係都沒有；直到博士後研究時期受到老師的影響才涉足演化，意外覺得非常有趣。
回顧當時，呂俊毅的老師認為，演化學家常常提出許多理論，卻缺乏足夠的證據可以支持。分子生物學家應該可以多貢獻一點，投入更多實驗去看到真實的變化。看看那些假說是得到支持或是被推翻，這樣才是真正做科學的方法。
呂俊毅強調，分子生物學最關注「如何」，演化則是問「為什麼」。問「如何」，得出的知識是比較應用的性質，但是身為科學家，他總是想知道「為什麼」。他說，演化就是生物學背後的支架，不管你想知道發育過程或是疾病原因，演化學都在背後，它就站在所有東西的背後看著你，你沒有辦法忽視演化的存在。
呂俊毅進一步說，在主流學術領域，演化學是比較被人忽視的一塊。他鼓勵臺灣的學生要問更多的「為什麼」，而不只是別人給你什麼題目就接手做。例如知道癌症發生的機制之後，可以去想想為什麼人會有癌症，背後的演化是什麼？癌細胞的演化速度為什麼這麼快？
在呂俊毅看來，演化學不僅是生物學的基石，更是引領我們深入探索生命奧秘的工具。它提醒我們不應滿足於理解生物學的「如何」，更要追問其背後的「為什麼」。透過演化的視角，得以更全面地理解。或許，正如呂俊毅所言，唯有不斷地提問、探索，才能真正觸及生命的本質。
註 1：呂俊毅團隊選出釀酒酵母的 84 個必需基因，替換成其他四種酵母菌對應的必需基因，探討基因的演化。在這項研究中，「對應的必需基因」亦屬於直系同源基因（Orthologues），也就是在不同物種中，源自於共同祖先單一基因的對應基因。
