同一个基因开启不同的生命之旅

qqqaaazzz

（文/Ed Yong）题图：小鼠脚趾和鱼的鳍受到同一个基因的影响，图片由芝加哥大学的Kalliopi Monoyios提供。虽然我们的手脚与鱼鳍看起来很不一样，但是它们在胚胎时期却有着十分相似的 “加工”过程。它们的发育受着同一个基因的影响，但是略微的差异导致了一个在水中游，一个在地上跑。
基因群HoxD有着无与伦比的神奇力量，它控制着鱼鳍的发育、控制着鸟雀翅膀的发育，还控制着黑猩猩四肢的发育。从更细微处来说，它控制着四肢的大小、四肢中骨骼的多少，以及骨头的形状等。
在胚胎早期，HoxD基因群控制着上肢或是前腿的发育。之后，HoxD基因群的第二波表达表现出了对手腕发育、手指发育、踝关节发育以及脚趾发育的控制。第二阶段HoxD能否表达成功关键在于一个遗传基因，这个类似于开关的基因被命名为CsB，它决定着HoxD基因在何时何地被激活。CsB就像一个执行主管，它带领着一个遗传基因小分队在工作。
$ z' Z( R& M. E; v8 v芝加哥大学的伊戈尔?施耐德以斑马鱼和小鼠为模型证实了CsB基因对鱼鳍和四肢的控制。斑马鱼和小鼠是两种很不相同的物种，在进化史上它们也相距甚远，差着4亿年的时间。即使如此，它们的肢体控制机制却很相似，CsB在不同的躯壳中分别控制着HoxD基因群。
/ [# b. ~9 _/ z. d% e. m4 N3 B为了探究CsB的作用，施耐德在斑马鱼的胚胎时期，就给CsB上加了一个会发光的蛋白。当CsB发挥功效时，这个蛋白就会发光，因此我们就可以监测CsB的工作状态了。结果发现，首先发光的部位是大脑和神经系统，随后几天鱼鳍外侧也出现了发光蛋白。
. ~2 `, V6 I) e5 Q" E小鼠CsB基因的工作模式与斑马鱼的一样。施耐德在小鼠的CsB基因上添加了一种表达蓝色的基因，这次，CsB最先活跃的地方同样是在脑部和神经系统里，随后手腕和手指里也发现了CsB基因。
除了小鼠和斑马鱼，施耐德对神奇的提塔利克鱼（被誉为会走路的鱼）也进行了研究。提塔利克鱼生活于距今3.75亿年前，它的四肢介于鱼鳍与足之间，被认为是鱼类及两栖类的跨界物种。它们的鳍拥有原始的腕骨和指头，有点像我们的腕骨和指骨，因此它们的鳍又叫鱼脚。这些骨头可以承受重量，支撑提塔利克鱼站立。
( z& ?" ?, W9 r" m0 G不过，2002年的研究发现河豚的CsB基因无法调控河豚鱼鳍的发育。因此，当时的科学家认为，四足动物的肢体发育与鱼鳍的发育存在着不同的遗传机制。
! h( ^$ q/ X3 I+ ~# N; y2 o% h; I施耐德说，回到2002年，当时河豚是唯一一个已经测得全基因组序列的鱼类，不过河豚的基因组并不典型。它的基因组比所有脊椎动物的都小，并且HoxD不控制肢体的发育。而河豚的祖先有着与河豚相似的基因组，并且还有两个Hoxd拷贝数和两个CsB拷贝数。这表明，河豚在进化过程中走向了隐性选择。
. D) k" ?# \9 R5 @0 c+ h施耐德认为河豚是一个例外，毕竟斑马鱼和鳐的CsB基因与小鼠的CsB基因一样。通过化石的研究也支持了CsB的相似性，这表明发育开关在史前鱼类中就已经存在了。
' k4 a; B" u2 x) \/ p不过，斑马鱼的CsB基因虽然可以控制小鼠胚胎期肢体的发育，但是对小鼠后期爪子的发育却不起作用。这恰恰表明了鱼类到四足类动物的进化过程。其他的研究者发现，小鼠还有一种CsC基因可以控制脚趾的发育，它与CsB基因有着类似的作用，但对鱼鳍的发育却没有帮助。
施耐德发现了鱼鳍和足在发育过程中的相似性，同时它们的相似性说明基因的表达时间或位置若略有不同的话，都可能产生形态上的巨大差异，这个不同让水生动物走向了陆地。
4 K" w- ]  z3 f% c3 B编辑： 居尚
; l1 w0 r; |+ R6 v2 v原文看这里
博主介绍：Ed Yong，著名科学作者。他白天在英国癌症研究中心上班，晚上回家写他自己的科普博客Not Exactly Rocket Science。他的文章被众多知名刊物采用，包括New Scientist, Nature, the Economist, the Guardian, the Daily Telegraph以及SEED等。