來(lái)源：原理
你是否也曾有過(guò)這樣的疑惑：為什么人類(lèi)看起來(lái)是人類(lèi)的樣子？明明我們與我們的近親黑猩猩有99%的DNA都相同，但我們的臉和身體又如此大不相同。
在生物學(xué)中，身體構(gòu)型描述了一個(gè)動(dòng)物的身體從頭到腳，或從頭到尾是如何組織排列的。所有的兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物（身體的左右兩側(cè)互為鏡像）都有著相似的身體結(jié)構(gòu)。例如，頭在前端形成，四肢在身體中部形成，尾巴在后端形成。
那么究竟是什么基因，控制了決定著這些動(dòng)物外形的特征的？這些基因又是如何讓人和其他動(dòng)物變成現(xiàn)在的樣子的？在建立身體構(gòu)型的過(guò)程中，一組被稱為Hox基因的高級(jí)控制基因起到了重要作用，它們宛若一套基因GPS系統(tǒng)，決定了身體的每個(gè)部分在發(fā)育過(guò)程中會(huì)變成什么。
所有動(dòng)物都有Hox基因，它們會(huì)在相似的身體區(qū)域進(jìn)行表達(dá)。雖然以人類(lèi)來(lái)說(shuō)，我們的體型和外貌都在進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生了明顯的變化，但這些控制著不同物種定義特征的基因，卻令人驚訝地在整個(gè)進(jìn)化史上都沒(méi)有發(fā)生什么變化。
它們是如何在如此漫長(zhǎng)的進(jìn)化歷程里，仍然如此保持穩(wěn)定，同時(shí)又在動(dòng)物發(fā)展中扮演如此關(guān)鍵的角色的呢？
1990年，分子生物學(xué)家William McGinnis和他的研究小組想知道，一個(gè)物種的Hox基因是否能在另一個(gè)物種中具有類(lèi)似的功能。他們進(jìn)行了一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)，將小鼠和人類(lèi)的Hox基因植入到果蠅之中，然后激活了身體中的錯(cuò)誤區(qū)域的基因，例如，在果蠅頭部的最前端放置指導(dǎo)了人類(lèi)的腿應(yīng)在哪里發(fā)育的Hox基因。如果身體部位出現(xiàn)錯(cuò)位，則表明小鼠或人類(lèi)的Hox基因的功能與果蠅自身的基因一樣。
這是一個(gè)大膽的想法。因?yàn)楣壓筒溉閯?dòng)物的最后的共同祖先生活在5億多年前，在如此漫長(zhǎng)的時(shí)間里，不同物種之間的基因早已經(jīng)相互分離，因此要替換它們的基因，幾乎是不可想象的。
而實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小鼠和人類(lèi)的Hox基因都將果蠅的觸角變成了腿。這意味著，在歷經(jīng)了數(shù)百萬(wàn)年之后，人類(lèi)和小鼠的基因所提供的位置信息，仍然能在果蠅中被識(shí)別。
這項(xiàng)著名的實(shí)驗(yàn)幫助我們理解了Hox基因在決定從人類(lèi)到黑猩猩再到果蠅的物種外表一致性方面的作用。自那之后，進(jìn)化和發(fā)育生物學(xué)家便開(kāi)始思考：Hox基因到底是如何運(yùn)作的？它們是如何決定不同身體區(qū)域的身份的？
在一項(xiàng)新發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》雜志的研究中，生物學(xué)家Ethan Bier與團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，揭示了Hox基因是如何在數(shù)十萬(wàn)年不變的情況下，仍然能夠在進(jìn)化過(guò)程中改變不同物種的外觀的。
新實(shí)驗(yàn)所選用的動(dòng)物模型是實(shí)驗(yàn)室果蠅。他們研究了一種名為pb的果蠅Hox基因，這種Hox基因指導(dǎo)著果蠅口器的形成。利用基于CRISPR的基因編輯技術(shù)，研究人員將實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)果蠅品種——黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）的pb基因，替換為了其夏威夷近親——擬態(tài)果蠅（Drosophila mimica）的pb基因。
這兩種果蠅有著非常不同的臉。黑腹果蠅有著光滑而呈海綿狀的口器部分，而擬態(tài)果蠅則有著像烤架一樣的形狀的口器部分。正如McGinnis所預(yù)測(cè)的那樣，攜帶擬態(tài)果蠅pb基因的果蠅，并沒(méi)有發(fā)展出烤架狀的口器特征。
但是，有一個(gè)擬態(tài)果蠅的特征卻得到了顯現(xiàn)：對(duì)黑腹果蠅來(lái)說(shuō)，通常應(yīng)該從面部伸出的下顎須（一種感覺(jué)器官），結(jié)果卻與嘴巴平行排列。這表明pb基因不僅為嘴巴應(yīng)該在哪里形成提供了標(biāo)記，還提供了它應(yīng)該如何形成的指示。
研究人員還想知道，pb基因是如何決定下顎須的方向的。它可能是通過(guò)改變它所編碼的蛋白質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的；或者它可能改變了控制其他基因的方式，就像一個(gè)決定了基因應(yīng)該何時(shí)何地開(kāi)啟的開(kāi)關(guān)一樣。
通過(guò)更多的測(cè)試，他們發(fā)現(xiàn)這種擬態(tài)果蠅特征是由構(gòu)成觸須的pb基因啟動(dòng)強(qiáng)度的改變引起的，而不是蛋白質(zhì)本身的改變引起的。這一發(fā)現(xiàn)再次強(qiáng)調(diào)了Hox蛋白功能在進(jìn)化過(guò)程中的完好保存，它確保了基因在一個(gè)物種和另一個(gè)物種中都能夠良好運(yùn)作。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，Hox基因在進(jìn)化過(guò)程中會(huì)相互角逐。一個(gè)Hox基因可能會(huì)比另一個(gè)更占優(yōu)勢(shì)，并決定一個(gè)物種最終會(huì)形成什么特征。這些實(shí)驗(yàn)表明，即使是Hox基因之間的相互作用出現(xiàn)細(xì)微變化，也會(huì)對(duì)生物的身體構(gòu)型產(chǎn)生重大影響。
對(duì)這些果蠅的研究對(duì)人類(lèi)意味著什么？
首先，它們?yōu)槲覀兞私獠煌锓N的身體構(gòu)型在進(jìn)化過(guò)程中是如何變化的提供了一個(gè)窗口。了解Hox基因是如何操縱動(dòng)物的發(fā)育以促進(jìn)它們的生存的，就可以解釋為什么動(dòng)物看起來(lái)是如今這副模樣的。類(lèi)似的機(jī)制也可以解釋為什么人類(lèi)與黑猩猩不再相像。
其次，這些見(jiàn)解或許能夠使我們更好地理解先天缺陷是如何在人的身上產(chǎn)生的。破壞Hox基因正常功能的變化或突變，可能會(huì)導(dǎo)致唇裂或先天性心臟病等疾病。一些即將問(wèn)世的基于CRISPR的基因組編輯技術(shù)的新療法，或?qū)⒂脕?lái)治療那些常常導(dǎo)致人們衰弱的疾病。
#創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)：
編譯：糖獸
#參考來(lái)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
#圖片來(lái)源：
封面圖：SarahRichterArt / Pixabay