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(xué)中，身體構(gòu)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(cè)對稱動物（身體的左右兩側(cè)互為鏡像）都有著相似的身體結(jié)構(gòu)。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(xiàn)在的樣子的？在建立身體構(gòu)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(tǒng)，決定了身體的每個部分在發(fā)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(qū)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(fā)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(fā)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(wěn)定，同時又在動物發(fā)展中扮演如此關(guān)鍵的角色的呢？
1990年，分子生物學(xué)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(chuàng)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(qū)域的基因，例如，在果蠅頭部的最前端放置指導(dǎo)了人類的腿應(yīng)在哪里發(fā)育的Hox基因。如果身體部位出現(xiàn)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(jīng)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(jié)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(jīng)了數(shù)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(fā)育生物學(xué)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(qū)域的身份的？
在一項新發(fā)表于《科學(xué)進展》雜志的研究中，生物學(xué)家Ethan Bier與團隊展開了一項實驗，揭示了Hox基因是如何在數(shù)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(dǎo)著果蠅口器的形成。利用基于CRISPR的基因編輯技術(shù)，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(tài)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(tài)果蠅則有著像烤架一樣的形狀的口器部分。正如McGinnis所預(yù)測的那樣，攜帶擬態(tài)果蠅pb基因的果蠅，并沒有發(fā)展出烤架狀的口器特征。
但是，有一個擬態(tài)果蠅的特征卻得到了顯現(xiàn)：對黑腹果蠅來說，通常應(yīng)該從面部伸出的下顎須（一種感覺器官），結(jié)果卻與嘴巴平行排列。這表明pb基因不僅為嘴巴應(yīng)該在哪里形成提供了標(biāo)記，還提供了它應(yīng)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(zhì)來實現(xiàn)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(yīng)該何時何地開啟的開關(guān)一樣。
通過更多的測試，他們發(fā)現(xiàn)這種擬態(tài)果蠅特征是由構(gòu)成觸須的pb基因啟動強度的改變引起的，而不是蛋白質(zhì)本身的改變引起的。這一發(fā)現(xiàn)再次強調(diào)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(fā)現(xiàn)，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(yōu)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(xiàn)細(xì)微變化，也會對生物的身體構(gòu)型產(chǎn)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?yōu)槲覀兞私獠煌锓N的身體構(gòu)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(fā)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(chǎn)生的。破壞Hox基因正常功能的變化或突變，可能會導(dǎo)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(shù)的新療法，或?qū)⒂脕碇委熌切┏３?dǎo)致人們衰弱的疾病。
#創(chuàng)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