果殼影片2017-08-28 14:28:18

文：S。西爾維希耶

蛇為什麼沒有腿？按照《聖經》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，但是科學家們並不願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。在近日發表在《細胞》雜誌上的文章中，加州大學亞歷克斯·維塞爾（Axel Visel）團隊的科學家們發現，

DNA中僅僅十幾個鹼基的變化，就能決定“腿”的有無。

蛇有沒腿，得問刺蝟？

在脊椎動物的胚胎髮育過程中，一類被稱為“刺蝟因子”的蛋白質發揮著至關重要的作用。當初在研究這些基因時，科學家發現，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蝟，科學家也就以“刺蝟”來命名這些基因了。

人們目前共發現五種“刺蝟因子”，這其中，得名於遊戲人物“刺蝟索尼克”的

音蝟因子（Sonic hedgehog，SHH）

被證明對脊椎動物的四肢發育至關重要。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），“刺蝟”基因hh突變的果蠅胚胎（中）和刺蝟（下）。圖片來源：itsokaytobesmart。com

音蝟因子固然重要，也不能只靠自己來決定胚胎長什麼樣。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”。

在四肢發育的過程中，音蝟因子的表達受到一種名為ZRS的增強子控制。對於包括人類在內的許多脊椎動物而言，發生在這一增強子上的突變可能產生嚴重的畸形——只改變單個鹼基的突變，就可能改變音蝟因子的表達，讓新生兒一隻手上長出兩隻拇指。

那麼，在沒有腿的蛇類中，ZRS怎樣影響著音蝟因子的工作？

“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後肢殘餘（藍色），而其他4種蛇則完全無肢（紫色）。

他們發現，在相對原始、還留有後肢殘餘的蚺和蟒中，ZRS核心區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域。之前提到，ZRS序列調控著音蝟因子的表達，在這個區域，即使是單個鹼基的差異也可能會導致肢體發育方面的嚴重後果。那麼，如此大規模的變異，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，並檢查它們在小鼠胚胎中的活性。他們發現，

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，並觀察小鼠胚胎的四肢發育情況。圖C顯示這五種動物大致的演化關係，圖D顯示帶有這些動物ZRS的小鼠胚胎中音蝟基因（Shh）的表達情況和前後肢的發育情況。

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，並用人、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的變異導致編碼音蝟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出了什麼問題，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範圍：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的中心區域都有一段17個鹼基對的缺失。

18種脊椎動物的ZRS核心區序列區域性。可見所有6種蛇類（黑體）都出現了17個鹼基對的缺失。

在長達數百個鹼基對的ZRS核心區，這僅僅17個鹼基的缺失隨後被證明正是問題的關鍵。維塞爾團隊將這17個鹼基“插”回到含有蟒ZRS的小鼠胚胎中，兩週後，本應“蛇化”的小鼠長出了健全的四肢。

維塞爾團隊補充了蛇類ZRS缺失的17個鹼基，最終從四肢缺陷的小鼠（左）得到了四肢發育正常的小鼠（右）。圖片來源：參考文獻［1］

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透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個鹼基不會是導致四肢缺失的唯一原因，其他與肢體發育有關的序列必然也發生了變化。

將一個功能健全的ZRS嵌回到蛇的基因組裡，我們是否能看到蛇長回四條腿的樣子？

研究者表示懷疑。演化從來都是一個複雜的過程，要解釋像“失足”這麼大的事，人們無疑還需要在基因組上找到更多證據。