Cell：蛇失去四肢的遗传学秘密

2016年10月22日讯 蛇在1亿年前失去了它们的四肢，但科学家们一直未弄清相关的遗传学变化。10月20日在《Cell》发表的一项研究，对这一过程进行了阐述，描述了一段蛇四肢形成相关的DNA片段，在蛇当中是突变的。当研究人员把蛇的这段DNA插入到小鼠体内时，小鼠发育出了截短的四肢，这表明在蛇的进化过程中，一段关键的DNA片段，失去了其支持肢体生长的能力。

本文资深作者、劳伦斯伯克利国家实验室的遗传学家Axel Visel指出：“实际上，这是人类以及所有其他有腿脊椎动物形成肢体所需的DNA指令的许多组成部分当中的一个。在蛇当中，它出了问题。它可能是发生在蛇身上的几个进化步骤中的一个，不同于大多数的哺乳动物和爬行动物，蛇不能形成四肢。”

今天的蛇都经历了脊椎动物进化中一个最戏剧性的体型变化。为了研究这种适应性的分子根源，Visel和他的同事们着手研究已发布的蛇基因组，包括基础的蛇，如蟒蛇和巨蟒的基因组，它们有残腿--小腿骨埋在它们的肌肉中；和高级的蛇，如蛇和眼镜蛇，它已经失去了所有的肢体结构。在这些基因组中，他们专门集中在一个叫Sonic hedgehog（Shh）的基因，该基因参与多种发育过程--包括肢体的形成。研究人员深入分析了Shh基因的一个调控因子，称为ZRS的一段DNA序列，该基因存在于蛇当中但发生了变异。

为了确定这些基因突变的后果，研究人员利用基因组编辑方法CRISPR，将来自其他各种脊椎动物的ZRS插入小鼠体内，替代小鼠的调节因子。当插入来自其他哺乳动物（如人类）的ZRS时，小鼠四肢发育正常。甚至当他们插入来自鱼的ZRS时--它们的鳍的结构与四肢很不相同，小鼠也发育出了正常四肢。然而，当研究人员用Python或眼镜蛇的ZRS替代小鼠的ZRS时，小鼠发育出了严重截断的前肢和后肢。

Visel说：“使用这些新的基因组工具，我们就可以开始探索同一增强子的不同进化版本，是如何影响肢体发育的，并看看到底发生了什么。我们过去主要是盯着序列和推测分子进化，但现在，我们可以把这些研究上升到一个更高层次。”

为了确定在蛇进化过程中负责其失活的ZRS突变，研究人员仔细观察了单个序列变化的进化史。通过比较蛇和其他脊椎动物的基因组，他们发现了一个特别可疑的17碱基对的缺失，它只发生在蛇当中；这段缺失删除了一段ZRS，其对于调节有脚动物的Shh基因发挥关键作用。

研究小组调节了进化钟，在一个人造的蟒蛇ZRS的混合版本中，恢复了缺失的17个碱基对，并在小鼠中检测了编辑的DNA。那些在基因组中携带这种进化“复活”ZRS的小鼠--取代了它们正常的调节因子，发育出了正常的腿。然而，Visel警告说，进化事件可能比仅仅一个缺失更为复杂：“有可能一些冗余存在于小鼠ZRS中。蛇ZRS的其他几个突变，可能也对于其进化过程中呼吸功能的丧失，发挥作用。”

当然，蛇不是唯一缺乏四肢的脊椎动物--一些蜥蜴、鳗鱼和其他鱼类以及海洋哺乳动物，也适应了不同程度的肢体减少，并可能经历了一个稍微不同的进化过程。Visel说：“在动物的进化过程中，失去四肢已经独立发生过多次，我们可以安全的假设，这与影响其他基因的突变有关。这是一个复杂的问题，但随着基因组编辑工具的引入，我们终于可以将特定的DNA变化与身体形态的改变联系起来。”

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