蛇為什么沒有腳？

有些時候，基因組微小的改變就可以使動物外觀發(fā)生巨大差異。蛇足的消失就是一個典型的例子。近，來自兩個獨(dú)立科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象背后的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。雖然這兩個研究小組采取了非常不同的方法來解決蛇足消失的謎團(tuán)，但他們都得到了類似的結(jié)果——位于肢體形成基因附近的一個增強(qiáng)子區(qū)域發(fā)生了突變，從而導(dǎo)致蛇足的消失。
雖然蛇是爬行動物，但是幾乎所有的蛇都完全失去了大多數(shù)陸地動物所具備的肢體特征。然而它們期初并不是這個樣子：大約在1億多年前，蛇是有腿的。至今蟒蛇體內(nèi)還存在微小的腿骨，這表明它們體內(nèi)還殘存著構(gòu)建肢體的分子通路。
早在1999年，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)基因可能與蛇身進(jìn)化有關(guān)的線索。在當(dāng)時，有研究人員發(fā)現(xiàn)和其他爬行動物相比，蛇的胚胎中某些基因擁有不同形式的活性，并且那些基因與能使胚胎長出肢體的生長因子有關(guān)。但在當(dāng)時，科學(xué)家們?nèi)狈蚪M工具來進(jìn)行深入研究。
四年后，研究小組發(fā)現(xiàn)其中一個名為音猬因子（Sonic hedgehog，該基因名稱來源于一部的電視游戲《刺猬索尼克》）的基因活性，在蜥蜴腿的大小中發(fā)揮著重要作用，這暗示著它可能對蛇也十分重要。隨著技術(shù)發(fā)展，檢測基因活性的方法越來越多，全基因組測序可以將各個品種的蛇和其他爬行動物相比較，因此研究團(tuán)隊(duì)可以追蹤蟒蛇胚胎中該基因的活性，看看為什么這些本來開始生長的腿卻沒有在胚胎內(nèi)發(fā)育完全。
研究人員發(fā)現(xiàn)控制音猬因子的基因開關(guān)中的3個DNA缺失了。這是一段位于音猬因子上游的一段增強(qiáng)子區(qū)域，可以與蛋白質(zhì)結(jié)合并控制音猬因子的活性。增強(qiáng)子部分缺失使得它與特定蛋白難以結(jié)合，并導(dǎo)致蟒蛇胚胎中的發(fā)育過程中音猬因子只有短暫的活性。這項(xiàng)研究發(fā)表于10月20日的Current Biology雜志上。研究人員還發(fā)現(xiàn)，蛇體內(nèi)沒有腿骨，因?yàn)樵鰪?qiáng)子被刪除的更多，導(dǎo)致音猬因子在一開始就不能被啟動轉(zhuǎn)錄。
另一個來自加利福尼亞的勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的研究小組也曾利用蟒蛇來研究腿消失的原因。他們比較蟒蛇和其他蛇類比如毒蛇和眼鏡蛇的基因組，后者體內(nèi)沒有殘余的腿骨。該研究小組也發(fā)現(xiàn)了同樣的結(jié)果，音猬因子的增強(qiáng)子有許多缺失和突變。
通過測量小鼠的四肢長度，這些研究人員還發(fā)現(xiàn)突變的音猬因子增強(qiáng)子會影響腿部生長。他們利用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)將小鼠自身的增強(qiáng)子用蛇、魚和人的增強(qiáng)子替代。當(dāng)用人和魚的增強(qiáng)子替代時，小鼠的腿部還能正常發(fā)育。這表明來自其他物種的音猬因子增強(qiáng)子在小鼠中仍然可以正常發(fā)揮作用。但是，用蛇的增強(qiáng)子替代時，小鼠的腿不能正常發(fā)育，變成了一個個小粗節(jié)。這篇研究發(fā)表于10月20日的Cell雜志上。后，當(dāng)研究人員把缺失的DNA插入蛇的增強(qiáng)子中，再把這個修正過的增強(qiáng)子插入小鼠基因中時，小鼠的腿就可以正常生長。
這兩個團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們強(qiáng)調(diào)，音猬因子增強(qiáng)子的改變并非蛇形態(tài)演變的全部原因。比如，近有其他研究人員發(fā)現(xiàn)另一個增強(qiáng)子與蛇多余的肋骨和長長的骨干有關(guān)。音猬因子增強(qiáng)子的改變也可能并非蛇腿消失的步，但肯定是一個主要原因。
備注：本文編譯自Science網(wǎng)站，原標(biāo)題：“Tiny DNA tweaks made snakes legless”。