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你是否也曾有過這樣的疑惑：為(wei) 什麽(me) 人類看起來是人類的樣子？明明我們(men) 與(yu) 我們(men) 的近親(qin) 黑猩猩有99%的DNA都相同，但我們(men) 的臉和身體(ti) 又如此大不相同。

在生物學中，身體(ti) 構型描述了一個(ge) 動物的身體(ti) 從(cong) 頭到腳，或從(cong) 頭到尾是如何組織排列的。所有的兩(liang) 側(ce) 對稱動物（身體(ti) 的左右兩(liang) 側(ce) 互為(wei) 鏡像）都有著相似的身體(ti) 結構。例如，頭在前端形成，四肢在身體(ti) 中部形成，尾巴在後端形成。

同一物種的動物通常具有相同的對稱性，人類和山羊都是兩(liang) 側(ce) 對稱動物，都是左右兩(liang) 側(ce) 互為(wei) 鏡像。| 圖片來源：CNX OpenStax / Wikemedia Commons

那麽(me) 究竟是什麽(me) 基因，控製了決(jue) 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(ti) 構型的過程中，一組被稱為(wei) Hox基因的高級控製基因起到了重要作用，它們(men) 宛若一套基因GPS係統，決(jue) 定了身體(ti) 的每個(ge) 部分在發育過程中會(hui) 變成什麽(me) 。

所有動物都有Hox基因，它們(men) 會(hui) 在相似的身體(ti) 區域進行表達。雖然以人類來說，我們(men) 的體(ti) 型和外貌都在進化過程中發生了明顯的變化，但這些控製著不同物種定義(yi) 特征的基因，卻令人驚訝地在整個(ge) 進化史上都沒有發生什麽(me) 變化。

它們(men) 是如何在如此漫長的進化曆程裏，仍然如此保持穩定，同時又在動物發展中扮演如此關(guan) 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(ge) 物種的Hox基因是否能在另一個(ge) 物種中具有類似的功能。他們(men) 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，然後激活了身體(ti) 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裏發育的Hox基因。如果身體(ti) 部位出現錯位，則表明小鼠或人類的Hox基因的功能與(yu) 果蠅自身的基因一樣。

這是一個(ge) 大膽的想法。因為(wei) 果蠅和哺乳動物的最後的共同祖先生活在5億(yi) 多年前，在如此漫長的時間裏，不同物種之間的基因早已經相互分離，因此要替換它們(men) 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，在曆經了數百萬(wan) 年之後，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(men) 理解了Hox基因在決(jue) 定從(cong) 人類到黑猩猩再到果蠅的物種外表一致性方麵的作用。自那之後，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(men) 是如何決(jue) 定不同身體(ti) 區域的身份的?

在一項新發表於(yu) 《科學進展》雜誌的研究中，生物學家Ethan Bier與(yu) 團隊展開了一項實驗，揭示了Hox基因是如何在數十萬(wan) 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(men) 研究了一種名為(wei) pb的果蠅Hox基因，這種Hox基因指導著果蠅口器的形成。利用基於(yu) 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(wei) 了其夏威夷近親(qin) ——擬態果蠅（Drosophila mimica）的pb基因。

每個(ge) Hox基因都與(yu) 身體(ti) 的特定部位相連。例如，pb基因指導果蠅口器的形成。| 圖片來源：Antonio Quesada Díaz/Wikimedia Commons

這兩(liang) 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，並沒有發展出烤架狀的口器特征。

但是，有一個(ge) 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(cong) 麵部伸出的下顎須（一種感覺器官），結果卻與(yu) 嘴巴平行排列。這表明pb基因不僅(jin) 為(wei) 嘴巴應該在哪裏形成提供了標記，還提供了它應該如何形成的指示。

黑腹果蠅和擬態果蠅的口器（棕褐色）看起來很不一樣。| 圖片來源：Ankush Auradkar, CC BY-NC-ND

研究人員還想知道，pb基因是如何決(jue) 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製其他基因的方式，就像一個(ge) 決(jue) 定了基因應該何時何地開啟的開關(guan) 一樣。

通過更多的測試，他們(men) 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(ge) 物種和另一個(ge) 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(hui) 相互角逐。一個(ge) Hox基因可能會(hui) 比另一個(ge) 更占優(you) 勢，並決(jue) 定一個(ge) 物種最終會(hui) 形成什麽(me) 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(hui) 對生物的身體(ti) 構型產(chan) 生重大影響。

對這些果蠅的研究對人類意味著什麽(me) ？

首先，它們(men) 為(wei) 我們(men) 了解不同物種的身體(ti) 構型在進化過程中是如何變化的提供了一個(ge) 窗口。了解Hox基因是如何操縱動物的發育以促進它們(men) 的生存的，就可以解釋為(wei) 什麽(me) 動物看起來是如今這副模樣的。類似的機製也可以解釋為(wei) 什麽(me) 人類與(yu) 黑猩猩不再相像。

其次，這些見解或許能夠使我們(men) 更好地理解先天缺陷是如何在人的身上產(chan) 生的。破壞Hox基因正常功能的變化或突變，可能會(hui) 導致唇裂或先天性心髒病等疾病。一些即將問世的基於(yu) 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(men) 衰弱的疾病。

編譯：糖獸(shou)

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

封麵圖：SarahRichterArt / Pixabay

來源：原理

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