生命科学巨人第二辑-李文雄

这一期要介绍的是华人演化生物学家-李文雄。

在求知阶段，少年李文雄的成长并非经典的逆袭式励志故事。天性乐观、兴趣广泛，善于思考是他的标签。他曾一度幻想成为小说家。高中时代他对未来充满了想象，对常识的本质感兴趣。虽然最好的科目是数学、化学、物理，但是他就像大多数年轻人一样，不知道自己未来该干什么。

常言道“时势造英雄”。年轻人不知道该干什么，往往会先找个热门行业试水。青少年时代的李文雄，适逢台湾60年代经济起飞。1961年，19岁的他高中毕业，试图成为詹天佑一样的工程学家，投身建设浪潮。于是，中原大学的土木工程系成了他的首选。可是热爱理性思考和科学逻辑的他，很快意识到实用科目并非他的兴趣所在。大学二年级，他意识到自己更喜欢数学, 但是苦于没有合适的数学研究生项目。研究生期间，他考取了中央大学地球物理专业。钻研过土木工程、地球物理、数学等专业，似乎他还没有料到未来自己会成为一位著名生物学家。

对数学感兴趣的李文雄决定继续念博士，他选择了应用数学也就是统计学方向。在数学的各种细分专业中，这在是一个热门选项。1968年他被Brown大学录取，开始了4年的博士生涯。布朗大学的学习经历非常愉悦也极为重要，他对随机过程理论产生了浓厚兴趣。博士第二年，需要确定研究课题，该做什么科学问题呢？兴趣是成为好科学家的动机，更为重要的似乎是天时地利人和的“科学问题”。

60年代末，经过Fisher, Haldane and Wright等新达尔文主义理论学家和数学家的积累，群体遗传学理论已经逐渐成熟。开始出现大量关于适应度、自然种群、人类血型、生化多态性、染色体多态性的实验室数据。例如，1964年，南非遗传学家和医生Anthony Clifford Allison发现镰状细胞人血红蛋白变体，是由抗疟疾引起的杂合子优势所维持的。这一发现证明了达尔文自然选择力量的强大，是当时“选择主义”作为变异来源的典型证据之一。

科学发展的最大推动力就是科学争论。此时的科学争论，来自于另一股强大的东方力量，他们对变异的来源提出了不同的看法。Motoo Kimura 和 James Crow 证明中性突变和遗传漂变，可能导致种群内的大量变异（Genetics，1964 ）。1968年Motoo Kimura进一步发表中性演化理论（Nature，1968）。李文雄决定在这充满可能性和科学问题的领域，探索一些重要的议题。幸运的是，他的导师Wendell Fleming也对群体遗传学感兴趣，而且他碰到一位来自东方的伯乐- Masatoshi Nei。Nei得知他的兴趣之后，接纳他成为自己的学生，并告诉他概率论在遗传学领域将可以解决很多问题。1972年，他们发表论文Total number of individuals affected by a single deleterious mutation in a finite population (American Journal of Human Genetics, 1972)。该文章利用diffusion方法来研究医学遗传学中的问题，即有限群体中单个有害突变在被清除之前，携带杂合子和纯合子突变的病人有多少。凭此论文和他的渊博学识，李文雄获得博士学位。

1973年，李文雄在威斯康辛麦迪逊的James Crow实验室进行了一年的博士后研究。随后，前往德州-休斯顿大学担任助理教授。4年后，李发表重要论文Distribution of nucleotide differences between two randomly chosen cistrons in a finite population (Genetics, 1977)，解决了基于Sewall Wright无限等位基因模型的情况下，有限群体中等位基因保存的问题。凭借该论文，李获得了中性理论创始人Motoo Kimura的写信支持。据李回忆，该推荐信也帮助他获得晋升的机会。70年代末，Walter Gilbert和Frederick Sanger独立的发明了DNA测序方法，分子遗传学的大门被缓缓打开。在70年代后期，DNA序列已经获得大量积累。李敏锐意识到DNA序列可能对于解决演化领域的核心问题具有关键意义，于是开启了他辉煌的80年代。

1981年，他与Takashi Gojobori 和Nei合作，发表第一篇Nature文章Pseudogenes as a paradigm of neutral evolution。该文章设计堪称优雅，触及了两个演化流派的根本争论：选择论和中性论。基于选择论的预期，假基因的突变率会比较低，因为假基因的突变没有选择优势，故而不是正向自然选择的对象。相反，在中性论的角度，假基因的突变率会比较高，因为功能基因的重要性，故而受到负向自然选择（即纯化选择）的影响更强。他们的研究发现支持中性突变理论，在当时颇具影响力。1985年，李文雄与吴仲义在PNAS杂志发表文章Evidence for higher rates of nucleotide substitution in rodents than in man，第一次阐述了分子钟与世代间隔时间之间的关系。他们用编码基因比较人和鼠的演化速度，他们发现，无论是编码区的同义突变、非同义突变，还是基因的上下游区域，鼠的演化速度更快。该发现也更符合中性论而非选择论的预期。1987年，李文雄与Masako Tanimura发表文章The molecular clock runs more slowly in man than in apes and monkeys（Nature, 1987）。该文章与当时Allan Wilson等人认为的分子钟恒定观点产生冲突，被Allan Wilson拒稿。Allan Wilson是诺奖得主鲍林学生（Arthur Pardee）的学生，此时的Allan Wilson作为中性理论的证明者（之一）已经暴得大名。早在20年前，Allan Wilson已经发现灵长类白蛋白演化速度恒定（Science, 1967），被认为是分子演化中性理论的强力证据。但是，中性演化理论的提出者Kimura也是李文雄文章的审稿人。Kimura认为文章具有说服力和创新性。该文章也修正了Kimura自身对于分子演化的认知。此前Kimura认为分子演化速率不依赖于世代时间，但是该文章说服了Kimura，证实了分子钟依赖于世代时间的观点更符合中性理论。

整个80-90年代，李文雄实验室还进行了一系列有价值的探索。例如，1987与Paul Sharp发表了“密码子适应指数”。同年，发现了植物线粒体和动物线粒体演化的差异，即植物线粒体比核基因和叶绿体演化的速度都更慢。1989年，估计出了单子叶和双子叶分化时间（170 Myr），这一时间早于当时流行观点（120 Myr）。1993年他与Yuxin Fu在Genetics发表了用于检测DNA片段是否所有突变均中性演化的统计检验方法，也就是DnaSP软件中的D, D*, F and F*检验。该方法的巧妙性在于利用了系谱（genealogy）结构的内外枝受到选择的差异，即外枝（external branch）比内枝（internal branch）更容易受到自然选择的影响。90年代的李文雄更加关注分子实验研究，也发表了一系列有价值的研究。1995年在Science杂志发表文章《Adaptive Evolution of Color Vision Genes in Higher Primates》以及1999年在Nature杂志发表文章《Trichromatic vision in prosimians》均研究探讨色觉基因在高等灵长类的适应性演化和起源。

除了对中性演化理论的证明，以及基于序列分析的表型分子演化研究，李文雄还90年代-2000年后还发表了新的演化理论如“雄性驱动理论（male-driven evolution）”。例如，Male-driven evolution of DNA sequences（Nature, 1993）和Strong male-driven evolution of DNA sequences in humans and apes（Nature，2002），以及在PNAS杂志发表的Weak male-driven molecular evolution in rodents，都阐述高级灵长类、啮齿类中“雄性驱动理论”的表现。“雄性驱动理论”认为雄性比雌性的突变率更高，因为雄性比雌性每一代的雄性减数分裂次数更多。雄性驱动演化在高级灵长类中比啮齿类中更强。人类基因组草图在2001年完成之后，Nature杂志邀请李文雄撰写分析人类基因组的文章。他和合作者用短短6周完成了Evolutionary analyses of the human genome (Nature, 2001)。该文章有一些有趣发现，也提出了一些难题，例如蛋白质结构域共享是非常普遍的，同时很多结构域的排列也是很保守的，因此重复基因的真实数量评估是一个难点，尤其对于短肽序列。

在基因重复的研究方面，李及其合作者也有一些有价值成果。例如，聚焦于重复基因和突变的文章Role of duplicate genes in genetic robustness against null mutations (Nature, 2003)，发现重复基因可以补偿丢失功能突变的效应。研究重复基因表达的文章Duplicate genes increase gene expression diversity within and between species (Nature genetics, 2004)，发现重复基因可以增加物种内和物种间的基因表达的多样性。

近年来，李进入一些新的领域。例如，他试图利用C4植物光和效率高的特点，把C4基因引入C3植物，来增加作物产量。同时，他也聚焦于一些基础性问题，如利用新的测序方法，来大规模鉴定转录因子结合位点。

虽然是一位科学家，李的业余生活也很丰富。他时常陶醉在音乐中，享受音乐带来的幸福和灵感。音乐是他长久的爱好。从德州工作的时候，他和朋友们组织了“彩虹合唱团”。每周二进行练习和表演，持续了近15年。此外，他几乎每天都进行游泳锻炼，保持了健康的体魄。

未来希望李教授为我们带来新的理论和科学发现。

后记

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那一年，我保送到了中科院昆明动物研究所，选择了貌似有趣的动物学专业，方向是哺乳动物系统进化（演化）。初进实验室，我无知茫然的眼神，便望向了师兄（现广州大学教授）的桌面。那里，赫然矗立了两本书。他看出了我的兴趣，便隆重给我介绍起来。一本是Molecular Evolution and Phylogenetics，作者是Masatoshi Nei和Sudhir Kumar；另外一本是《分子进化基础》，作者李文雄。多年以后，在芝加哥大学访问求学期间，我多次在校园见到李文雄老师，才知道他是芝加哥大学教授。有一天，终于鼓起勇气对他说：李老师，很荣幸见到您，您是分子演化领域传说中的人物，能否跟您合个影？他笑呵呵的答应了。

随着研究的深入，我逐渐阅读到更多他过往学术文献甚至访谈记录。对其研究工作和重要性有了更深入的了解。我很好奇，他作为一个演化学家的成长和思想历程，以及如何推动了这个领域的进步。于是就有了上文，参考了公开的资料同时结合我个人的学术解读。

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撰文：陈俭海博士，成都

参考文献: 

Wen-Hsiung Li, Adventures of a Mathematician in Evolutionary Biology, Genome Biology and Evolution, Volume 13, Issue 3, March 2021, evab012, https://doi.org/10.1093/gbe/evab012

Jensen JD, Payseur BA, Stephan W, et al. The importance of the Neutral Theory in 1968 and 50 years on: A response to Kern and Hahn 2018. Evolution. 2019;73(1):111-114. doi:10.1111/evo.13650