蛇為什么沒有腳？

文：S.西爾維希耶

蛇為什么沒有腿？按照《圣經(jīng)》上的說法，這是它唆使夏娃吃下禁果所得到的懲罰。信仰上帝的人或許照單全收，但是科學(xué)家們并不愿意讓那個他們從沒見過的神來解釋這個問題。一些研究者試圖從蛇類基因組的演化中找到答案。在近日發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上的文章中，加州大學(xué)亞歷克斯·維塞爾（Axel Visel）團(tuán)隊的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，DNA中僅僅十幾個堿基的變化，就能決定“腿”的有無。蛇有沒腿，得問刺猬？

在脊椎動物的胚胎發(fā)育過程中，一類被稱為“刺猬因子”的蛋白質(zhì)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。當(dāng)初在研究這些基因時，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，它們的突變會導(dǎo)致果蠅胚胎的畸形，使得果蠅幼蟲表皮上的齒狀突起變得密集——因為它們看起來實在很像刺猬，科學(xué)家也就以“刺猬”來命名這些基因了。

人們目前共發(fā)現(xiàn)五種“刺猬因子”，這其中，得名于游戲人物“刺猬索尼克”的音猬因子（Sonic hedgehog，SHH）被證明對脊椎動物的四肢發(fā)育至關(guān)重要。而維塞爾團(tuán)隊的關(guān)注點，就與這個聽起來有點中二的基因有關(guān)。

正常果蠅胚胎（上），“刺猬”基因hh突變的果蠅胚胎（中）和刺猬（下）。圖片來源：itsokaytobesmart.com

音猬因子固然重要，也不能只靠自己來決定胚胎長什么樣。圍繞著這個基因，還有大量起調(diào)控作用的DNA片段左右著動物肢體的發(fā)育。其中，有一類特殊的序列能夠與特定的蛋白質(zhì)結(jié)合，從而促進(jìn)基因的表達(dá)，這些序列被稱為“增強(qiáng)子”。在四肢發(fā)育的過程中，音猬因子的表達(dá)受到一種名為ZRS的增強(qiáng)子控制。對于包括人類在內(nèi)的許多脊椎動物而言，發(fā)生在這一增強(qiáng)子上的突變可能產(chǎn)生嚴(yán)重的畸形——只改變單個堿基的突變，就可能改變音猬因子的表達(dá)，讓新生兒一只手上長出兩只拇指。

那么，在沒有腿的蛇類中，ZRS怎樣影響著音猬因子的工作？

“蛇化”的小鼠

維塞爾等人進(jìn)行的第一步研究，是將緬甸蟒（Python molurus bivittatus）、紅尾蚺（Boa constrictor constrictor）、眼鏡王蛇（Ophiophagus hannah）、小斑響尾蛇（Crotalus mitchellii pyrrhus）、極北蝰（Vipera berus berus）和玉米錦蛇（Pantherophis guttatus）這六種不同蛇類的ZRS序列與其他12種脊椎動物進(jìn)行對比。

在上述6種蛇中，緬甸蟒和紅尾蚺的骨骼中可見后肢殘余（藍(lán)色），而其他4種蛇則完全無肢（紫色）。

他們發(fā)現(xiàn)，在相對原始、還留有后肢殘余的蚺和蟒中，ZRS核心區(qū)序列與四條腿的蜥蜴還高度相似（共享80%序列），但在更高等的蝰蛇和眼鏡蛇中，序列差異就大得多了。而常見的寵物蛇玉米錦蛇中，幾乎不存在這樣的核心區(qū)域。之前提到，ZRS序列調(diào)控著音猬因子的表達(dá)，在這個區(qū)域，即使是單個堿基的差異也可能會導(dǎo)致肢體發(fā)育方面的嚴(yán)重后果。那么，如此大規(guī)模的變異，看起來可能是蛇類“無腳”的原因。

為了驗證自己的猜想，維塞爾團(tuán)隊利用小鼠（對，還是生物學(xué)家的好朋友小鼠）進(jìn)行了一系列實驗。他們用不同物種的ZRS替換下小鼠的ZRS，并檢查它們在小鼠胚胎中的活性。他們發(fā)現(xiàn)，包括人、雞乃至腔棘魚等動物的ZRS在小鼠中都具有正常的活性，而6種蛇類中，卻只有蚺的ZRS顯示出了正常的活性。

是因為ZRS活性的缺失，導(dǎo)致蛇沒有像其他脊椎動物那樣發(fā)育出正常的四肢嗎？

維塞爾團(tuán)隊的研究人員將小鼠胚胎ZRS分別用人類（human）、蟒（python）、眼鏡王蛇（cobra）和棘腔魚（coelacanth）的ZRS進(jìn)行了替換，并觀察小鼠胚胎的四肢發(fā)育情況。圖C顯示這五種動物大致的演化關(guān)系，圖D顯示帶有這些動物ZRS的小鼠胚胎中音猬基因（Shh）的表達(dá)情況和前后肢的發(fā)育情況。

利用CRISPR基因編輯技術(shù)，維塞爾團(tuán)隊構(gòu)造了ZRS缺失的小鼠胚胎，并用人、鼠、腔棘魚、蟒和眼鏡王蛇含有的ZRS進(jìn)行回補(bǔ)。18.5天后，只有帶著蟒和眼鏡蛇ZRS的小鼠胚胎未能正常發(fā)育出四肢。

將失去的腿奪回

到了這一步，維塞爾團(tuán)隊實際上已經(jīng)找到了問題的答案：在演化過程中，蛇類ZRS的變異導(dǎo)致編碼音猬因子的基因無法正常表達(dá)，最終讓蛇類失去了四肢。但研究者還想再深入一點——到底蛇類的ZRS出了什么問題，才使得它失去了自己應(yīng)有的功能？

在好奇心的驅(qū)使下，他們進(jìn)行了又一輪的基因比對，這一次，他們將關(guān)鍵部分鎖定到了更小的范圍：跟其他12種四足動物及魚類相比，所有參與比對的蛇類在ZRS的中心區(qū)域都有一段17個堿基對的缺失。

18種脊椎動物的ZRS核心區(qū)序列局部。可見所有6種蛇類（黑體）都出現(xiàn)了17個堿基對的缺失。

在長達(dá)數(shù)百個堿基對的ZRS核心區(qū)，這僅僅17個堿基的缺失隨后被證明正是問題的關(guān)鍵。維塞爾團(tuán)隊將這17個堿基“插”回到含有蟒ZRS的小鼠胚胎中，兩周后，本應(yīng)“蛇化”的小鼠長出了健全的四肢。

維塞爾團(tuán)隊補(bǔ)充了蛇類ZRS缺失的17個堿基，最終從四肢缺陷的小鼠（左）得到了四肢發(fā)育正常的小鼠（右）。圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]

蛇的祖先曾經(jīng)像其他許多脊椎動物一樣擁有四肢。但隨著環(huán)境的變遷， 它們的四肢在長久的演化過程中逐漸消失。在這個過程中，ZRS的失效也許起到了推波助瀾的作用。維塞爾的研究解釋了蛇類可能如何通過基因?qū)用娴淖兓屪约菏ニ闹愃频臋C(jī)制可能會出現(xiàn)在那些同樣沒有四肢的動物上。然而與此同時，維塞爾也指出，ZRS上那缺失的17個堿基不會是導(dǎo)致四肢缺失的唯一原因，其他與肢體發(fā)育有關(guān)的序列必然也發(fā)生了變化。將一個功能健全的ZRS嵌回到蛇的基因組里，我們是否能看到蛇長回四條腿的樣子？研究者表示懷疑。演化從來都是一個復(fù)雜的過程，要解釋像“失足”這么大的事，人們無疑還需要在基因組上找到更多證據(jù)。