摘要: 中科院之聲:蛇為什么那~么~長(zhǎng)~呢? 在動(dòng)物王國(guó)中,人們總是將目光投向那些長(zhǎng)相怪異的動(dòng)物??磻T了毛茸茸,四條腿的哺乳動(dòng)物后,人們總是不禁發(fā)問(wèn):蜘蛛怎么就那么多腿?蛇的身子怎么那么長(zhǎng)呢? 蛇擁有至少25對(duì)肋骨 這些問(wèn)題的答案恐怕還得從進(jìn)化和基因的角度去尋找。...
中科院之聲:蛇為什么那~么~長(zhǎng)~呢?
在動(dòng)物王國(guó)中,人們總是將目光投向那些長(zhǎng)相怪異的動(dòng)物??磻T了毛茸茸,四條腿的哺乳動(dòng)物后,人們總是不禁發(fā)問(wèn):蜘蛛怎么就那么多腿?蛇的身子怎么那么長(zhǎng)呢?
蛇擁有至少25對(duì)肋骨
這些問(wèn)題的答案恐怕還得從進(jìn)化和基因的角度去尋找。更進(jìn)一步,我們需要研究動(dòng)物是如何從幼小的胚胎一步步發(fā)育成長(zhǎng)大后的樣子(演化發(fā)育生物學(xué),evo-devo)。如果我們想知道蛇為什么那么長(zhǎng),首先要觀察一下蛇的胚胎。
近日,葡萄牙的一組科研團(tuán)隊(duì)就做了相關(guān)的研究。他們發(fā)現(xiàn),有一些基因?qū)ι唛L(zhǎng)長(zhǎng)的身體形狀起到了關(guān)鍵性的作用!而科學(xué)家們驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)的做法就是,將一樣的基因植入小鼠【心疼小鼠一分鐘】體內(nèi),看看能不能得到一只“加長(zhǎng)版”的小鼠……
蛇和老鼠都是脊椎動(dòng)物(都屬于脊椎動(dòng)物亞門(mén),只不過(guò)蛇是爬行綱,鼠是哺乳綱),脊椎動(dòng)物通常有兩種途徑能進(jìn)化出長(zhǎng)長(zhǎng)的身體,一種是通過(guò)增加脊椎骨的長(zhǎng)度(比如長(zhǎng)頸鹿!~),另一種則是增加脊椎骨的個(gè)數(shù)(比如鵝)。這種變化可以發(fā)生在脖子、軀干或者尾巴等多個(gè)部位。對(duì)于蛇而言,它的身體長(zhǎng)主要是因?yàn)檐|干部分長(zhǎng),擁有超級(jí)多的肋骨(老鼠一般僅有13對(duì)肋骨)。
在此之前,研究人員就已經(jīng)知道,如果小鼠體內(nèi)的一種名為Gdf11的基因突變了,那這只小鼠就會(huì)變“長(zhǎng)”,不僅軀干部分加長(zhǎng),尾巴上一些另類(lèi)的細(xì)胞也增多了。這些另類(lèi)的細(xì)胞是多種基因表達(dá)的結(jié)果,其中就包括那些決定胚胎中軀干與尾巴分界點(diǎn)的基因。這一結(jié)果說(shuō)明基因突變的小鼠在發(fā)育的過(guò)程中漸漸茫然了,完全不清楚軀干的脊椎骨長(zhǎng)到哪里才算完。
那么,是Gdf11基因直接控制小鼠最終長(zhǎng)出多少根肋骨么?并不是。
在蛇和小鼠的體內(nèi)都有一種名為Oct4的基因,能使胚胎中的干細(xì)胞持續(xù)分化成其他類(lèi)型的細(xì)胞。而剛剛提到的Gdf11基因會(huì)阻礙Oct4基因發(fā)揮作用。因此,在Gdf11基因突變的小鼠體內(nèi),Gdf11無(wú)法及時(shí)關(guān)閉Oct4,導(dǎo)致小鼠脊椎與肋骨瘋長(zhǎng)。
確實(shí),單獨(dú)的基因往往能力有限,只是龐大復(fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)中小小的一部分,需要和其他基因一起作用控制細(xì)胞。一種基因突變(比如Gdf11),之所以能對(duì)生命體(小鼠)產(chǎn)生那么大的影響,也是因?yàn)檫@個(gè)基因(Gdf11)同時(shí)還負(fù)責(zé)開(kāi)啟或關(guān)閉其他的基因(Oct4)。
其實(shí)本質(zhì)沒(méi)多大區(qū)別,基因決定你是脖子長(zhǎng),軀干長(zhǎng),還是尾巴長(zhǎng)。
這樣一來(lái),科學(xué)家們就明白了,是Oct4基因開(kāi)啟和關(guān)閉的模式?jīng)Q定了生命體能長(zhǎng)多長(zhǎng),或者說(shuō)長(zhǎng)多少節(jié)肋骨。雖然Gdf11基因在蛇的體內(nèi)似乎也表現(xiàn)正常,但周?chē)姆蔷幋aDNA(以前被認(rèn)為是垃圾DNA,因?yàn)椴荒芫幋a蛋白質(zhì))與小鼠體內(nèi)的有所不同。研究人員將蛇的非編碼DNA植入正常小鼠胚胎內(nèi),并使其位于Oct4基因周?chē)?。結(jié)果不出所料,這些小鼠胚胎生長(zhǎng)出大量的額外脊髓。
真相似乎大白,蛇看起來(lái)和其他脊椎動(dòng)物有很大差異,幾乎沒(méi)有脖子、軀干和尾巴的分別,是因?yàn)樗w內(nèi)有一些非編碼DNA能使Oct4基因長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟,從而發(fā)育出那么多對(duì)肋骨。
煎蛋:蛇為什么那么長(zhǎng)?
這是孩子們經(jīng)常問(wèn)的問(wèn)題——蛇為什么那么長(zhǎng)?是啊,蛇只有一個(gè)頭和長(zhǎng)長(zhǎng)的身體,為什么長(zhǎng)成這樣呢?葡萄牙的研究者們相信他們終于找到的答案。
近日由葡萄牙科學(xué)家Moisés Mallo帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了形成軀干、骨架和脊柱組織的控制機(jī)制。他們的實(shí)驗(yàn)顯示,關(guān)鍵因素就是一種叫做Oct4的基因,它可以調(diào)整干細(xì)胞。有意思的是,其他幾種脊椎動(dòng)物也有同一種基因,但是卻沒(méi)有蛇一樣的身體結(jié)構(gòu)。
“我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Oct4就是那個(gè)形成軀干的開(kāi)關(guān),但是我們還無(wú)法解釋為什么脊椎動(dòng)物的身體長(zhǎng)度不同,尤其是蛇。因此,我們?cè)谏吲咛サ牟煌l(fā)育時(shí)期,測(cè)試了這個(gè)開(kāi)關(guān)是否被打開(kāi),并且跟老鼠做了比較?!?/p>
他們發(fā)現(xiàn)在蛇體內(nèi),這個(gè)基因保持活躍的時(shí)間比其他動(dòng)物長(zhǎng)了很多。如果基因被提前關(guān)閉,蛇就不會(huì)長(zhǎng)那么長(zhǎng)。
“不同身體部位的形成,有點(diǎn)像基因之間的掰手腕。形成軀干的基因要停止活躍,從而負(fù)責(zé)尾巴形成的基因開(kāi)始起作用。在蛇的例子里,我們觀察到Oct4基因在胚胎發(fā)展的過(guò)程中保持長(zhǎng)期活躍,這也就解釋了為什么蛇有著長(zhǎng)長(zhǎng)的身體和很短的尾巴,”參與了研究的Rita Aires說(shuō)。
身體結(jié)構(gòu)的發(fā)展由基因活動(dòng)決定,這并非令人感到意外。但是,發(fā)現(xiàn)確保身體生長(zhǎng)方式的機(jī)制可以讓我們更好理解其他生物的發(fā)展,假以時(shí)日,它會(huì)給我們帶來(lái)醫(yī)療方面的好處。研究者們尤其對(duì)骨頭和脊髓再生充滿(mǎn)興趣。
“我們識(shí)別了一種只要保持活躍就能讓軀干結(jié)構(gòu)無(wú)限生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素?,F(xiàn)在我們將會(huì)調(diào)查是否可以利用Oct4基因和保持它活性的DNA區(qū)域來(lái)擴(kuò)張生成脊髓的細(xì)胞,試圖在受傷的情況下進(jìn)行再生?!?/p>