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蛇为什么没有脚?

2016/10/28 来源:生物探索
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导读
1亿多年前,蛇原本是有脚的,蛇的脚如何在进化的过程中消失的呢?最近,来自两个独立科研团队发现位于肢体形成基因—— 音猬因子上游的一个增强子区域发生了突变,从而导致蛇足的无法正常发育。这两个团队的研究成果分别发表于Current Biology杂志和Cell杂志上。


有些时候,基因组微小的改变就可以使动物外观发生巨大差异。蛇足的消失就是一个典型的例子。最近,来自两个独立科研团队发现了这一现象背后的遗传学基础。虽然这两个研究小组采取了非常不同的方法来解决蛇足消失的谜团,但他们都得到了类似的结果——位于肢体形成基因附近的一个增强子区域发生了突变,从而导致蛇足的消失。

虽然蛇是爬行动物,但是几乎所有的蛇都完全失去了大多数陆地动物所具备的肢体特征。然而它们期初并不是这个样子:大约在1亿多年前,蛇是有腿的。至今蟒蛇体内还存在微小的腿骨,这表明它们体内还残存着构建肢体的分子通路。

早在1999年,科学家们就发现基因可能与蛇身进化有关的线索。在当时,有研究人员发现和其他爬行动物相比,蛇的胚胎中某些基因拥有不同形式的活性,并且那些基因与能使胚胎长出肢体的生长因子有关。但在当时,科学家们缺乏基因组工具来进行深入研究。

四年后,研究小组发现其中一个名为音猬因子(Sonic hedgehog,该基因名称来源于一部著名的电视游戏《刺猬索尼克》)的基因活性,在蜥蜴腿的大小中发挥着重要作用,这暗示着它可能对蛇也十分重要。随着技术发展,检测基因活性的方法越来越多,全基因组测序可以将各个品种的蛇和其他爬行动物相比较,因此研究团队可以追踪蟒蛇胚胎中该基因的活性,看看为什么这些本来开始生长的腿却没有在胚胎内发育完全。

研究人员发现控制音猬因子的基因开关中的3个DNA缺失了。这是一段位于音猬因子上游的一段增强子区域,可以与蛋白质结合并控制音猬因子的活性。增强子部分缺失使得它与特定蛋白难以结合,并导致蟒蛇胚胎中的发育过程中音猬因子只有短暂的活性。这项研究发表于10月20日的Current Biology杂志上。研究人员还发现,蛇体内没有腿骨,因为增强子被删除的更多,导致音猬因子在一开始就不能被启动转录。

另一个来自加利福尼亚的劳伦斯伯克利国家实验室的研究小组也曾利用蟒蛇来研究腿消失的原因。他们比较蟒蛇和其他蛇类比如毒蛇和眼镜蛇的基因组,后者体内没有残余的腿骨。该研究小组也发现了同样的结果,音猬因子的增强子有许多缺失和突变。

通过测量小鼠的四肢长度,这些研究人员还发现突变的音猬因子增强子会影响腿部生长。他们利用CRISPR-Cas9基因编辑技术将小鼠自身的增强子用蛇、鱼和人的增强子替代。当用人和鱼的增强子替代时,小鼠的腿部还能正常发育。这表明来自其他物种的音猬因子增强子在小鼠中仍然可以正常发挥作用。但是,用蛇的增强子替代时,小鼠的腿不能正常发育,变成了一个个小粗节。这篇研究发表于10月20日的Cell杂志上。最后,当研究人员把缺失的DNA插入蛇的增强子中,再把这个修正过的增强子插入小鼠基因中时,小鼠的腿就可以正常生长。

这两个团队的科学家们强调,音猬因子增强子的改变并非蛇形态演变的全部原因。比如,最近有其他研究人员发现另一个增强子与蛇多余的肋骨和长长的骨干有关。音猬因子增强子的改变也可能并非蛇腿消失的第一步,但肯定是一个主要原因。

备注:本文编译自Science网站,原标题:“Tiny DNA tweaks made snakes legless

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