來源：原理

　　你是否也曾有過這樣的疑惑：為什么人類看起來是人類的樣子？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。

　　在生物學中，身體構型描述了一個動物的身體從頭到腳，或從頭到尾是如何組織排列的。所有的兩側對稱動物（身體的左右兩側互為鏡像）都有著相似的身體結構。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物外形的特征的？這些基因又是如何讓人和其他動物變成現在的樣子的？在建立身體構型的過程中，一組被稱為Hox基因的高級控制基因起到了重要作用，它們宛若一套基因GPS系統，決定了身體的每個部分在發育過程中會變成什么。

　　所有動物都有Hox基因，它們會在相似的身體區域進行表達。雖然以人類來說，我們的體型和外貌都在進化過程中發生了明顯的變化，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進化史上都沒有發生什么變化。

　　它們是如何在如此漫長的進化歷程里，仍然如此保持穩定，同時又在動物發展中扮演如此關鍵的角色的呢？

　　1990年，分子生物學家William McGinnis和他的研究小組想知道，一個物種的Hox基因是否能在另一個物種中具有類似的功能。他們進行了一項開創性的實驗，將小鼠和人類的Hox基因植入到果蠅之中，然后激活了身體中的錯誤區域的基因，例如，在果蠅頭部的最前端放置指導了人類的腿應在哪里發育的Hox基因。如果身體部位出現錯位，則表明小鼠或人類的Hox基因的功能與果蠅自身的基因一樣。

　　這是一個大膽的想法。因為果蠅和哺乳動物的最后的共同祖先生活在5億多年前，在如此漫長的時間里，不同物種之間的基因早已經相互分離，因此要替換它們的基因，幾乎是不可想象的。

　　而實驗結果表明，小鼠和人類的Hox基因都將果蠅的觸角變成了腿。這意味著，在歷經了數百萬年之后，人類和小鼠的基因所提供的位置信息，仍然能在果蠅中被識別。

　　這項著名的實驗幫助我們理解了Hox基因在決定從人類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，進化和發育生物學家便開始思考：Hox基因到底是如何運作的？它們是如何決定不同身體區域的身份的？

　　在一項新發表于《科學進展》雜志的研究中，生物學家Ethan Bier與團隊展開了一項實驗，揭示了Hox基因是如何在數十萬年不變的情況下，仍然能夠在進化過程中改變不同物種的外觀的。

　　新實驗所選用的動物模型是實驗室果蠅。他們研究了一種名為pb的果蠅Hox基因，這種Hox基因指導著果蠅口器的形成。利用基于CRISPR的基因編輯技術，研究人員將實驗室常見果蠅品種——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，而擬態果蠅則有著像烤架一樣的形狀的口器部分。正如McGinnis所預測的那樣，攜帶擬態果蠅pb基因的果蠅，并沒有發展出烤架狀的口器特征。

　　但是，有一個擬態果蠅的特征卻得到了顯現：對黑腹果蠅來說，通常應該從面部伸出的下顎須（一種感覺器官），結果卻與嘴巴平行排列。這表明pb基因不僅為嘴巴應該在哪里形成提供了標記，還提供了它應該如何形成的指示。

　　研究人員還想知道，pb基因是如何決定下顎須的方向的。它可能是通過改變它所編碼的蛋白質來實現這一點的；或者它可能改變了控制其他基因的方式，就像一個決定了基因應該何時何地開啟的開關一樣。

　　通過更多的測試，他們發現這種擬態果蠅特征是由構成觸須的pb基因啟動強度的改變引起的，而不是蛋白質本身的改變引起的。這一發現再次強調了Hox蛋白功能在進化過程中的完好保存，它確保了基因在一個物種和另一個物種中都能夠良好運作。

　　研究人員還發現，Hox基因在進化過程中會相互角逐。一個Hox基因可能會比另一個更占優勢，并決定一個物種最終會形成什么特征。這些實驗表明，即使是Hox基因之間的相互作用出現細微變化，也會對生物的身體構型產生重大影響。

　　對這些果蠅的研究對人類意味著什么？

　　首先，它們為我們了解不同物種的身體構型在進化過程中是如何變化的提供了一個窗口。了解Hox基因是如何操縱動物的發育以促進它們的生存的，就可以解釋為什么動物看起來是如今這副模樣的。類似的機制也可以解釋為什么人類與黑猩猩不再相像。

　　其次，這些見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生的。破壞Hox基因正常功能的變化或突變，可能會導致唇裂或先天性心臟病等疾病。一些即將問世的基于CRISPR的基因組編輯技術的新療法，或將用來治療那些常常導致人們衰弱的疾病。

　　#創作團隊：

　　編譯：糖獸

　　#參考來源：

　　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

　　#圖片來源：

　　封面圖：SarahRichterArt / Pixabay