撰文?| nagashi

編輯?| 王多魚

排版?| 水成文

你是否有過這樣一個疑問：貓咪有尾巴，狗狗有尾巴，倉鼠也有尾巴，那為什么人沒有尾巴？從小鼠到猴子的絕大部分哺乳動物都有尾巴，但唯獨人類和我們近親猿類缺乏這一身體構造。

哺乳動物的尾巴具有許多功能，比如保持或者調整身體平衡。那么，作為哺乳動物的一員，人類和猿類為什么要把尾巴給舍棄掉呢？

近日，紐約大學格羅斯曼醫學院 Itai Yanai、Jef Boeke、夏波等人在預印本bioRxiv上發表了題為：The genetic basis of tail-loss evolution in humans and apes 的研究論文。

該研究發現了一個簡單的“基因跳躍”，它可能就是導致人類尾巴消失的原因。更重要的是，這一發現還表明，這一基因變化可能導致了一種不那么明顯但十分危險的結果——脊髓發育的先天缺陷的風險更高。

哈佛大學/霍華德休斯研究所進化生物學家 Hopi Hoekstra 評論道：“這項工作不僅解決了‘是什么讓我們成為人類這個固有的有趣問題’，同時還為這種進化變化是如何發生的提供了新的見解。這無疑是一項精彩的研究！”

在被問及開展這項研究的初衷時，該論文的第一作者兼共同通訊作者夏波表示，2019年的夏天，他在一輛Uber里傷到了自己的尾巴骨，這讓他重新想起一個小時候曾思考過的一個問題——我們在進化過程中如何丟掉自己的尾巴骨的？”

近些年來，隨著測序技術的發展，大量的靈長類基因組已經被測序。基于這些測序數據，夏波開始尋找導致猿類（包括人類）尾巴消失的基因變化。在一個名為TBXT（也叫T或者Brachyury）的基因中，他發現了一個強有力的懷疑對象，一個名為Alu元件（AluY）的短DNA插入。這個Alu元件存在于所有猿類中，但在其他靈長類動物中缺失。

人類和猿類尾巴缺失的進化圖譜

Alu序列可以在基因組中移動，因此也被稱為跳躍基因或轉座子，屬于反轉座子（Retrotransposon，早年間由通訊作者之一的 Jef Boeke 命名）。Alu序列在人類基因組中很常見，包含超過一百萬個元件，約占我們DNA的10%。它們的活動也會產生不同的結果：有時，Alu的插入不會產生任何作用；有時，它們會中斷基因并阻止其蛋白質的產生；而在一些情況下，它們可能會改變蛋白質表達的位置或方式。

對此，加州大學圣地亞哥分校的進化生物學家 Pascal Gagneux 說：“這使得它們成為進化變異的巨大驅動力。Alu插入的代價通常是昂貴的，但偶爾你會中頭彩而擁有了有益的基因變化。”

TBXT基因中的Alu插入突變

TBXT編碼一種名為brachyury的蛋白，它在希臘語中代表“短尾”的意思，因為這種蛋白的突變會導致老鼠的尾巴變短。初步觀察，這一猿類特有的Alu元件存在于TBXT基因的內含子中間，似乎并不能引起任何顯著的基因破壞。然而，在進一步觀察后，夏波注意到另一個古老的Alu元件（AluSx1）也潛伏在附近。

他發現，在猿類體內，這兩個Alu元件可以粘在一起，形成一個循環，從而改變TBXT的表達，因此產生的蛋白會比原來的蛋白短一點。夏波的這種敏銳的洞察力讓?Hopi Hoekstra?贊嘆不已。

在人類中，Alu相互作用和相應的TBXT轉錄本的示意圖

事實上，夏波及其同事還發現，人類胚胎干細胞會產生兩個版本的TBXT-mRNA，一個長，一個短。與之相對，小鼠胚胎干細胞只產生更長的那個。夏波等人利用CRISPR技術敲除了人類胚胎干細胞中的一個Alu元件，而只剩一個Alu元件的TBXT基因就不再產生短的mRNA。

研究團隊還通過CRISPR技術讓小鼠體內出現了TBXT的短mRNA版本，以評估這種簡化的猿類特有蛋白質是如何影響尾巴發育的。結果發現，攜帶兩個短基因副本的小鼠無法存活，雜合子小鼠可以存活，但出生時尾巴長度各異——從完全沒有到接近正常。

雜合子小鼠出生時尾巴長度各異

有趣的是，一些突變體小鼠不僅在尾巴發育上存在異常，它們的脊髓發育也存在缺陷。這類出生缺陷可能會導致脊柱裂（脊髓無法閉合）和無腦畸形（大腦和顱骨部分缺失），這在人類中相對常見，每1000名新生兒中就有1名受到影響！

“從結果來看，人類肯定是從失去尾巴中得到了某種明顯的好處，例如可以直立行走。但我們可能也為失去尾巴付出了代價，直到現在我們仍然能夠感受到它的余威。”Itai Yanai說到。

這些突變體小鼠的脊髓發育存在缺陷

總的來說，這一新發現是“一個非常有趣的故事”，這項研究在一定程度上解釋了人類以及猿類失去尾巴的原因——源于跳躍基因Alu元件引起的基因變化，而這一基因變化可能導致人類和猿類中更高風險的脊髓發育先天缺陷。

人類進化是一個關鍵的科學謎題，而夏波等人的發現提示我們，可以通過解讀基因密碼來還原這一過程！

值得一提的是，夏波在大學本科階段就曾作為第一作者在 Nature Methods?發表論文，通訊作者為伊成器（北京大學）和何川（芝加哥大學），該研究報道了一種通過化學標記和富集手段，首次實現了免亞硫酸氫鹽處理（bisulfite-free）的5-醛基胞嘧啶（5fC）單堿基分辨率、全基因組水平測序。

2020年，夏波作為第一作者在 Cell 發表論文（通訊作者為 Itai Yanai），該研究通過人類和小鼠精子發生的單細胞轉錄組數據，解釋了睪丸表達了所有哺乳動物器官中數量最多的基因這一困擾科學家多年的難題。睪丸通過這種廣泛轉錄掃描的機制糾正DNA損傷，維持雄性生殖細胞中DNA序列的完整性。

同年，夏波也獲得2020年第八屆 Regeneron Prize for CreativeInnovation。通過‘夢想’研究提案挑戰，該獎項每年獎勵全美范圍內一名博士研究生和一名博后研究員。

參考文獻：

1.?https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.09.14.460388v1

2.?https://www.nature.com/articles/nmeth.3569/

3.?https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.12.015

4. https://www.science.org/content/article/jumping-gene-may-have-erased-tails-humans-and-other-apes-and-boosted-our-risk-birth-defects

5.?https://newsroom.regeneron.com/news-releases/news-release-details/regeneron-announces-2020-winners-regeneron-prize-creative

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的人类为什么没有尾巴？这个跳跃基因抹去了人类的尾巴，并带来了额外风险的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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