为什么人类看起来是人类的样子?

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  来源:原理

  你是否也曾有过这样的疑惑:为什么人类看起来是人类的样子?明明我们与我们的近亲黑猩猩有99%的DNA都相同,但我们的脸和身体又如此大不相同。

  在生物学中,身体构型描述了一个动物的身体从头到脚,或从头到尾是如何组织排列的。所有的两侧对称动物(身体的左右两侧互为镜像)都有着相似的身体结构。例如,头在前端形成,四肢在身体中部形成,尾巴在后端形成。

  那么究竟是什么基因,控制了决定着这些动物外形的特征的?这些基因又是如何让人和其他动物变成现在的样子的?建立身体构型的过程中,一组被称为Hox基因的高级控制基因起到了重要作用,它们宛若一套基因GPS系统,决定了身体的每个部分在发育过程中会变成什么

  所有动物都有Hox基因,它们会在相似的身体区域进行表达。虽然以人类来说,我们的体型和外貌都在进化过程中发生了明显的变化,但这些控制着不同物种定义特征的基因,却令人惊讶地在整个进化史上都没有发生什么变化。

  它们是如何在如此漫长的进化历程里,仍然如此保持稳定,同时又在动物发展中扮演如此关键的角色的呢?

  1990年,分子生物学家William McGinnis和他的研究小组想知道,一个物种的Hox基因是否能在另一个物种中具有类似的功能。他们进行了一项开创性的实验,将小鼠和人类的Hox基因植入到果蝇之中,然后激活了身体中的错误区域的基因,例如,在果蝇头部的最前端放置指导了人类的腿应在哪里发育的Hox基因。如果身体部位出现错位,则表明小鼠或人类的Hox基因的功能与果蝇自身的基因一样。

  这是一个大胆的想法。因为果蝇和哺乳动物的最后的共同祖先生活在5亿多年前,在如此漫长的时间里,不同物种之间的基因早已经相互分离,因此要替换它们的基因,几乎是不可想象的。

  而实验结果表明,小鼠和人类的Hox基因都将果蝇的触角变成了腿。这意味着,在历经了数百万年之后,人类和小鼠的基因所提供的位置信息,仍然能在果蝇中被识别。

  这项著名的实验帮助我们理解了Hox基因在决定从人类到黑猩猩再到果蝇的物种外表一致性方面的作用。自那之后,进化和发育生物学家便开始思考:Hox基因到底是如何运作的?它们是如何决定不同身体区域的身份的?

  在一项新发表于《科学进展》杂志的研究中,生物学家Ethan Bier与团队展开了一项实验,揭示了Hox基因是如何在数十万年不变的情况下,仍然能够在进化过程中改变不同物种的外观的

  新实验所选用的动物模型是实验室果蝇。他们研究了一种名为pb的果蝇Hox基因,这种Hox基因指导着果蝇口器的形成。利用基于CRISPR的基因编辑技术,研究人员将实验室常见果蝇品种——黑腹果蝇Drosophila melanogasterpb基因,替换为了其夏威夷近亲——拟态果蝇Drosophila mimicapb基因。

  这两种果蝇有着非常不同的脸。黑腹果蝇有着光滑而呈海绵状的口器部分,而拟态果蝇则有着像烤架一样的形状的口器部分。正如McGinnis所预测的那样,携带拟态果蝇pb基因的果蝇,并没有发展出烤架状的口器特征。

  但是,有一个拟态果蝇的特征却得到了显现:对黑腹果蝇来说,通常应该从面部伸出的下颚须(一种感觉器官),结果却与嘴巴平行排列。表明pb基因不仅为嘴巴应该在哪里形成提供了标记,还提供了它应该如何形成的指示。

  研究人员还想知道,pb基因是如何决定下颚须的方向的。它可能是通过改变它所编码的蛋白质来实现这一点的;或者它可能改变了控制其他基因的方式,就像一个决定了基因应该何时何地开启的开关一样。

  通过更多的测试,他们发现这种拟态果蝇特征是由构成触须的pb基因启动强度的改变引起的,而不是蛋白质本身的改变引起的。这一发现再次强调了Hox蛋白功能在进化过程中的完好保存,它确保了基因在一个物种和另一个物种中都能够良好运作。

  研究人员还发现,Hox基因在进化过程中会相互角逐。一个Hox基因可能会比另一个更占优势,并决定一个物种最终会形成什么特征。这些实验表明,即使是Hox基因之间的相互作用出现细微变化,也会对生物的身体构型产生重大影响。

  对这些果蝇的研究对人类意味着什么?

  首先,它们为我们了解不同物种的身体构型在进化过程中是如何变化的提供了一个窗口。了解Hox基因是如何操纵动物的发育以促进它们的生存的,就可以解释为什么动物看起来是如今这副模样的。类似的机制也可以解释为什么人类与黑猩猩不再相像。

  其次,这些见解或许能够使我们更好地理解先天缺陷是如何在人的身上产生的。破坏Hox基因正常功能的变化或突变,可能会导致唇裂或先天性心脏病等疾病。一些即将问世的基于CRISPR的基因组编辑技术的新疗法,或将用来治疗那些常常导致人们衰弱的疾病。

  #创作团队:

  编译:糖兽

  #参考来源:

  https://theconversation.com/genetic-gps-system-of-animal-development-explains-why-limbs-grow-from-torsos-and-not-heads-171456

  https://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/new-research-helps-explain-the-genetic-basis-of-why-we-look-the-way-we-do

  https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk1003

  #图片来源:

  封面图:SarahRichterArt / Pixabay


新闻来源:新浪