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[科技] 人类的祖先是如何丢掉尾巴的？

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魔都工程师 发表于 2024-3-9 16:00:48 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
在演化的进程中，人类的祖先丢掉了尾巴。人类是什么时候、因为什么丢掉尾巴的，长期以来一直是一个谜。理论上来讲，或许因为环境变化，人类从森林迁徙到草原和平地生存，就不需要尾巴了。但是，迄今人类的演化史并不能圆满地解释这个事情。
最近，美国哈佛大学、纽约大学联合研究团队在《自然》期刊发表的题为“人类和类人猿尾巴丢失进化的遗传基础”揭示了人类丢失尾巴的基因基础。研究团队在人类基因组中发现了一个跳跃基因，并证明它可能就是导致人类尾巴消失的原因。
人类的祖先是如何丢掉尾巴的？ 第1张图片


论文的第一作者兼共同通讯作者夏波2019年夏天在纽约读博士时意外地伤到了自己的尾骨，这让他想起一个小时候曾思考过的一个问题，人类在进化过程中是如何丢掉自己的尾巴的？于是，他开始了这项研究。
夏波等人分析比对了大量的灵长类基因组测序数据，以此寻找导致类人猿尾巴消失的关键基因。经过推测，认为人类祖先——类人猿的尾巴丢失发生在约2500万年前，当时古人类谱系与古老的旧大陆猴子分道扬镳，只留下3-5块尾椎骨，并在后续的进化过程中形成了现代人的尾骨。
研究团队在一个名为TBXT（也叫T或者Brachyury）的基因中发现了一个最可疑的基因，名为Alu元件的短DNA插入。这个Alu元件存在于所有类人猿中，但在其他灵长类动物中缺失。
TBXT基因最早由乌克兰科学家纳丁·多布罗沃尔斯卡娅-扎瓦兹卡娅（Nadine Dobrovolskaya-Zavadskaya）于1927年发现，她描述了一种短尾实验室小鼠品系，这种小鼠携带一种名为T的基因突变，也就是现在所称呼的TBXT，它们的尾巴极短。
Alu是人类基因组中常见的一类可移动遗传元件（MGE），包含超过100万个拷贝，约占人类DNA的10%。它们被称为转座子或跳跃基因，这类DNA序列可以改变自己在基因组中的位置，从而产生不同的结果。在大部分情况下，Alu的插入不会产生任何作用；但有时候，它们会中断基因并阻止其编码蛋白质的产生。同时，在一些情况下，它们可能会改变蛋白质表达的位置或方式。
这个类人猿特异性Alu元件来自AluY亚家族，AluY存在于TBXT第6个外显子的下游，在其上游还有另一个古老的Alu元件——AluSx1，两者通过反向互补结构，导致第6外显子的跳跃缺失，从而生成一个短的TBXT转录本——TBXTΔexon6。
研究团队认为，在类人猿祖先的基因组中单独插入 Alu 元件可能有助于尾部丢失进化。这个 Alu 元件插入到 TBXT 基因的内含子中，与以反向基因组方向编码的相邻祖先 Alu 元件配对，可导致类人猿特异性选择性剪接事件。
当然，这只是推论，需要用实验来证明。于是，研究团队采用小鼠来证明。他们生成了多个小鼠模型，这些模型同时表达TBXT 基因的全长和外显子跳跃亚型，模仿类人猿同源物TBXT的表达模式。
表达两种TBXT 基因亚型的小鼠表现出完全没有尾巴或缩短的尾巴，原因在于小鼠胚胎尾芽处表达的TBXT 基因亚型的相对丰度，丰度大则没有尾巴或短尾，反之则有尾巴，或长尾。这表明，外显子跳跃转录本（TBXTΔexon6）可以诱导尾巴缺失，这也意味着，人类也是通过这样的基因跳跃而丢掉尾巴的。当然，这个过程是漫长的，经历了数千万年的演变，人类全部丢掉了尾巴，如果今天还有人生出尾巴，就是一种返祖现象。
但是，这种演化的结果也为人类带来了副作用。研究人员发现，表达外显子跳跃的TBXT基因亚型的小鼠会出现神经管缺陷。这种情况同样会在人类中出现。现在，大约1000名新生儿中会有1名出现神经管缺陷，这也造成了为数不少的新生儿缺陷，并需要治疗。
找到并证明TBXTΔexon6基因是人类丢失尾巴的遗传原因只是讲了一半的故事，至于人类为何要丢掉尾巴，需要从演化过程中来证明，而且需要化石的证明。
在远古时代，包括人类远祖在内的许多灵长类都生活在树上，为了适应树栖生活，它们发展出许多特化的结构，如双眼向前以拥有立体视觉，方便判断树木之间的距离和跳跃移动；拥有灵活的手指，能够牢牢抓住树枝；生出长长的尾巴，以便保持身体平衡，而且尾巴还可以作为“第五肢”，帮助抓握树枝和获取食物。
但是，为何人类会在演化中选择丢掉尾巴？一个理论假说是，人类从失去尾巴中得到的益处要远远大于具有尾巴的好处，这就是直立行走。而且，其背后的理论是用进废退，即人类不在森林中生活了，尾巴没有用了，也就荒废了，也就导致了生成尾巴的基因突变，不再编码长出尾巴。但是，这种情况是不是也从另一个维度证明了拉马克的获得性遗传理论？
科学史上的一桩疑案或悬案比较能说明这个问题。20世纪20年代，奥地利生物学家卡默勒称，他用产婆蟾做实验，证明获得性遗传是成立的。
蟾蜍是两栖动物，产婆蟾也有水生和陆生两种。水生产婆蟾在交配时是雄性爬到雌性背上，因此雄性的前爪下有黑色趾（肉）垫（也称婚垫），以便交配时在不稳定的水中环境可以抓住雌蟾光滑的背部，但陆生蟾蜍没有这种结构。
卡默勒将陆生产婆蟾强行放在水中交配繁殖，产婆蟾繁殖几代的后代中，有的雄性的前爪长出了婚垫。这证明了拉马克的用进废退的获得性遗传理论。
但是美国自然博物馆的诺布尔从卡默勒发表的产婆蟾的婚垫组织切片中发现，黑色婚垫其实是在前爪上注射了墨汁，怀疑卡默勒造假，但卡默勒一直否认。在强大的怀疑和压力下，1926年9月23日，卡默勒独自走进维也纳郊外的山中，饮弹自尽。
不过，今天的研究证明，获得性遗传是可以成立的。现在，表观遗传学发现，在DNA序列不变的情况下，因种种原因，DNA或组蛋白上出现化学修饰，以及出现RNA干扰等多种变化，都可调控基因的表达，由此影响生物的性状特征。陆生产婆蟾在水中养殖的后代长出了婚垫也许是表观遗传的结果。
既然如此，人类从森林中走向草原或平原生活，是不是也因为后天生活环境的改变而导致了基因突变，才丢掉了尾巴。夏波等人的研究表明，因为一个跳跃基因的改变而造成人类丢失尾巴，因此，无论是跳跃基因还是表观遗传，都有可能让生物的组织和器官出现用进废退的结果。
当然，人类是在什么样的环境中导致基因变化丢失尾巴的，还需要更多的研究来解释。
张田勘
责编 朱力远


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