蛇為什么沒有腿？
蛇為什么沒有腿？按照《圣經》上的說法，這是它唆使夏娃吃下禁果所得到的懲罰。信仰上帝的人或許照單全收，但是科學家們并不愿意讓那個他們從沒見過的神來解釋這個問題。一些研究者試圖從蛇類基因組的演化中找到答案。在近日發(fā)表在《細胞》雜志上的文章中，加州大學亞歷克斯·維塞爾（Axel Visel）團隊的科學家們發(fā)現(xiàn)，DNA中僅僅十幾個堿基的變化，就能決定“腿”的有無。
蛇有沒腿，要問刺猬？
在脊椎動物的胚胎發(fā)育過程中，一類被稱為“刺猬因子”的蛋白質發(fā)揮著至關重要的作用。當初在研究這些基因時，科學家發(fā)現(xiàn)，它們的突變會導致果蠅胚胎的畸形，使得果蠅幼蟲表皮上的齒狀突起變得密集——因為它們看起來實在很像刺猬，科學家也就以“刺猬”來命名這些基因了。人們目前共發(fā)現(xiàn)五種“刺猬因子”，這其中，得名于游戲人物“刺猬索尼克”的音猬因子（Sonic hedgehog，SHH）被證明對脊椎動物的四肢發(fā)育至關重要。而維塞爾團隊的關注點，就與這個聽起來有點中二的基因有關。
正常果蠅胚胎（上），“刺猬”基因hh突變的果蠅胚胎（中）和刺猬（下）。圖片來源：itsokaytobesmart.com
音猬因子固然重要，也不能只靠自己來決定胚胎長什么樣。圍繞著這個基因，還有大量起調控作用的DNA片段左右著動物肢體的發(fā)育。其中，有一類特殊的序列能夠與特定的蛋白質結合，從而促進基因的表達，這些序列被稱為“增強子”。在四肢發(fā)育的過程中，音猬因子的表達受到一種名為ZRS的增強子控制。對于包括人類在內的許多脊椎動物而言，發(fā)生在這一增強子上的突變可能產生嚴重的畸形——只改變單個堿基的突變，就可能改變音猬因子的表達，讓新生兒一只手上長出兩只拇指。那么，在沒有腿的蛇類中，ZRS怎樣影響著音猬因子的工作？
“蛇化”的小鼠
維塞爾等人進行的第一步研究，是將緬甸蟒（Python molurus bivittatus）、紅尾蚺（Boa constrictor constrictor）、眼鏡王蛇（Ophiophagus hannah）、小斑響尾蛇（Crotalus mitchellii pyrrhus）、極北蝰（Vipera berus berus）和玉米錦蛇（Pantherophis guttatus）這六種不同蛇類的ZRS序列與其他12種脊椎動物進行對比。
在上述6種蛇中，緬甸蟒和紅尾蚺的骨骼中可見后肢殘余（藍色），而其他4種蛇則完全無肢（紫色）。圖片來源：參考文獻[1]
他們發(fā)現(xiàn)，在相對原始、還留有后肢殘余的蚺和蟒中，ZRS核心區(qū)序列與四條腿的蜥蜴還高度相似（共享80%序列），但在更高等的蝰蛇和眼鏡蛇中，序列差異就大得多了。而常見的寵物蛇玉米錦蛇中，幾乎不存在這樣的核心區(qū)域。之前提到，ZRS序列調控著音猬因子的表達，在這個區(qū)域，即使是單個堿基的差異也可能會導致肢體發(fā)育方面的嚴重后果。那么，如此大規(guī)模的變異，看起來可能是蛇類“無腳”的原因。
為了驗證自己的猜想，維塞爾團隊利用小鼠（對，還是生物學家的好朋友小鼠）進行了一系列實驗。他們用不同物種的ZRS替換下小鼠的ZRS，并檢查它們在小鼠胚胎中的活性。他們發(fā)現(xiàn)，包括人、雞乃至腔棘魚等動物的ZRS在小鼠中都具有正常的活性，而6種蛇類中，卻只有蚺的ZRS顯示出了正常的活性。是因為ZRS活性的缺失，導致蛇沒有像其他脊椎動物那樣發(fā)育出正常的四肢嗎？
維塞爾團隊的研究人員將小鼠胚胎ZRS分別用人類（human）、蟒（python）、眼鏡王蛇（cobra）和棘腔魚（coelacanth）的ZRS進行了替換，并觀察小鼠胚胎的四肢發(fā)育情況。圖C顯示這五種動物大致的演化關系，圖D顯示帶有這些動物ZRS的小鼠胚胎中音猬基因（Shh
利用CRISPR基因編輯技術，維塞爾團隊構造了ZRS缺失的小鼠胚胎，并用人、鼠、腔棘魚、蟒和眼鏡王蛇含有的ZRS進行回補。18.5天后，只有帶著蟒和眼鏡蛇ZRS的小鼠胚胎未能正常發(fā)育出四肢。
將失去的腿奪回
到了這一步，維塞爾團隊實際上已經找到了問題的答案：在演化過程中，蛇類ZRS的變異導致編碼音猬因子的基因無法正常表達，最終讓蛇類失去了四肢。但研究者還想再深入一點——到底蛇類的ZRS出了什么問題，才使得它失去了自己應有的功能？
在好奇心的驅使下，他們進行了又一輪的基因比對，這一次，他們將關鍵部分鎖定到了更小的范圍：跟其他12種四足動物及魚類相比，所有參與比對的蛇類在ZRS的中心區(qū)域都有一段17個堿基對的缺失。
在長達數百個堿基對的ZRS核心區(qū)，這僅僅17個堿基的缺失隨后被證明正是問題的關鍵。維塞爾團隊將這17個堿基“插”回到含有蟒ZRS的小鼠胚胎中，兩周后，本應“蛇化”的小鼠長出了健全的四肢。
蛇的祖先曾經像其他許多脊椎動物一樣擁有四肢。但隨著環(huán)境的變遷， 它們的四肢在長久的演化過程中逐漸消失。在這個過程中，ZRS的失效也許起到了推波助瀾的作用。維塞爾的研究解釋了蛇類可能如何通過基因層面的變化讓自己失去四肢，而類似的機制可能會出現(xiàn)在那些同樣沒有四肢的動物上。然而與此同時，維塞爾也指出，ZRS上那缺失的17個堿基不會是導致四肢缺失的唯一原因，其他與肢體發(fā)育有關的序列必然也發(fā)生了變化。將一個功能健全的ZRS嵌回到蛇的基因組里，我們是否能看到蛇長回四條腿的樣子？研究者表示懷疑。演化從來都是一個復雜的過程，要解釋像“失足”這么大的事，人們無疑還需要在基因組上找到更多證據。
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