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江蘇晶美生物科技有限公司

蛇失去四肢的遺傳學(xué)秘密

時(shí)間:2016-11-25閱讀:232
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    蛇在1億年前失去了它們的四肢,但科學(xué)家們一直未弄清相關(guān)的遺傳學(xué)變化。10月20日發(fā)表的一項(xiàng)研究,對(duì)這一過程進(jìn)行了闡述,描述了一段蛇四肢形成相關(guān)的DNA片段,在蛇當(dāng)中是突變的。當(dāng)研究人員把蛇的這段DNA插入到小鼠體內(nèi)時(shí),小鼠發(fā)育出了截短的四肢,這表明在蛇的進(jìn)化過程中,一段關(guān)鍵的DNA片段,失去了其支持肢體生長(zhǎng)的能力。

    實(shí)際上,這是人類以及所有其他有腿脊椎動(dòng)物形成肢體所需的DNA指令的許多組成部分當(dāng)中的一個(gè)。在蛇當(dāng)中,它出了問題。它可能是發(fā)生在蛇身上的幾個(gè)進(jìn)化步驟中的一個(gè),不同于大多數(shù)的哺乳動(dòng)物和爬行動(dòng)物,蛇不能形成四肢。

今天的蛇都經(jīng)歷了脊椎動(dòng)物進(jìn)化中一個(gè)zui戲劇性的體型變化。為了研究這種適應(yīng)性的分子根源,研究人員們著手研究已發(fā)布的蛇基因組,包括基礎(chǔ)的蛇,如蟒蛇和巨蟒的基因組,它們有殘腿——小腿骨埋在它們的肌肉中;和的蛇,如蛇和眼鏡蛇,它已經(jīng)失去了所有的肢體結(jié)構(gòu)。在這些基因組中,他們專門集中在一個(gè)叫Sonic hedgehog(Shh)的基因,該基因參與多種發(fā)育過程——包括肢體的形成。研究人員深入分析了Shh基因的一個(gè)調(diào)控因子,稱為ZRS的一段DNA序列,該基因存在于蛇當(dāng)中但發(fā)生了變異。

    為了確定這些基因突變的后果,研究人員利用基因組編輯方法CRISPR,將來自其他各種脊椎動(dòng)物的ZRS插入小鼠體內(nèi),替代小鼠的調(diào)節(jié)因子。當(dāng)插入來自其他哺乳動(dòng)物(如人類)的ZRS時(shí),小鼠四肢發(fā)育正常。甚至當(dāng)他們插入來自魚的ZRS時(shí)——它們的鰭的結(jié)構(gòu)與四肢很不相同,小鼠也發(fā)育出了正常四肢。然而,當(dāng)研究人員用Python或眼鏡蛇的ZRS替代小鼠的ZRS時(shí),小鼠發(fā)育出了嚴(yán)重截?cái)嗟那爸秃笾?/span>

    使用這些新的基因組工具,我們就可以開始探索同一增強(qiáng)子的不同進(jìn)化版本,是如何影響肢體發(fā)育的,并看看到底發(fā)生了什么。我們過去主要是盯著序列和推測(cè)分子進(jìn)化,但現(xiàn)在,我們可以把這些研究上升到一個(gè)更高層次。

為了確定在蛇進(jìn)化過程中負(fù)責(zé)其失活的ZRS突變,研究人員仔細(xì)觀察了單個(gè)序列變化的進(jìn)化史。通過比較蛇和其他脊椎動(dòng)物的基因組,他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)特別可疑的17堿基對(duì)的缺失,它只發(fā)生在蛇當(dāng)中;這段缺失刪除了一段ZRS,其對(duì)于調(diào)節(jié)有腳動(dòng)物的Shh基因發(fā)揮關(guān)鍵作用。

研究小組調(diào)節(jié)了進(jìn)化鐘,在一個(gè)人造的蟒蛇ZRS的混合版本中,恢復(fù)了缺失的17個(gè)堿基對(duì),并在小鼠中檢測(cè)了編輯的DNA。那些在基因組中攜帶這種進(jìn)化“復(fù)活”ZRS的小鼠——取代了它們正常的調(diào)節(jié)因子,發(fā)育出了正常的腿。然而,進(jìn)化事件可能比僅僅一個(gè)缺失更為復(fù)雜:有可能一些冗余存在于小鼠ZRS中。蛇ZRS的其他幾個(gè)突變,可能也對(duì)于其進(jìn)化過程中呼吸功能的喪失,發(fā)揮作用。

    當(dāng)然,蛇不是*缺乏四肢的脊椎動(dòng)物——一些蜥蜴、鰻魚和其他魚類以及海洋哺乳動(dòng)物,也適應(yīng)了不同程度的肢體減少,并可能經(jīng)歷了一個(gè)稍微不同的進(jìn)化過程。在動(dòng)物的進(jìn)化過程中,失去四肢已經(jīng)獨(dú)立發(fā)生過多次,我們可以安全的假設(shè),這與影響其他基因的突變有關(guān)。這是一個(gè)復(fù)雜的問題,但隨著基因組編輯工具的引入,我們終于可以將特定的DNA變化與身體形態(tài)的改變起來。

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