生物學家解出鴨嘴獸的完整基因組序列,而這些基因部份源自鳥類、爬蟲類及哺乳類

黃威翔
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長了個鴨嘴的鴨嘴獸(platypus)真的是地球上最奇怪的生物之一。最近,鴨嘴獸的基因組的第一份完整圖譜剛剛被釋出,而這個基因組就如同你從一隻具有 10 條性染色體、一對有毒的刺、一層會發螢光的皮毛、以及會「流出」乳汁的皮膚的生物身上所能預期般的一樣奇怪。

下蛋的哺乳動物

今日,現存的哺乳動物分成三個族群,包括單孔目(monotreme)、有袋類(marsupial)以及真獸下綱(eutherians),或是所謂的「胎盤哺乳類」(placentals),而我們人類屬於最後一個族群。其中,後面兩個族群組成一個被熟知為獸亞綱哺乳類(therian mammal)的次族群。獸亞綱哺乳類都是生產活幼體,然而單孔目太過不同而無法也被歸結於該次族群中。

鴨嘴獸和針鼴(echidna),這兩種澳洲的動物屬於單孔目下的唯二生物,兩者都會下蛋,卻都以乳汁來撫養幼獸。這兩種動物的基因都相對原始且未改變過,顯示出多種脊椎動物下各綱動物基因的詭異混合體,包括鳥類、爬蟲類、以及哺乳類。

雖然鴨嘴獸一開始看起來可能很不一樣,但就是這些差異揭開了我們與地球的其他脊椎動物之相似處與共同祖先。科學家們認為鴨嘴獸的基因組可以告訴我們關於人類自身演化的秘密,以及我們遙遠的哺乳類祖先是如何從下蛋變成生產的。

來自哥本哈根大學(University of Copenhagen)的演化生物學家張國傑(Guojie Zhang,音譯)博士解釋說:「完整的基因組提供我們關於鴨嘴獸一些奇異的特徵是如何出現的答案。同時,對鴨嘴獸的基因組進行解碼對於改善我們關於其他哺乳類動物是如何演化的認知是很重要的,這包括我們人類。」

完整基因組揭曉

仍然不清楚什麼時候哺乳動物中的三個不同族群首次從彼此開始分支。有些人認為單孔目生物先分出來,接著有袋類以及真獸下綱跟進。其他人認為這三個族群的所有都在大約相同的時間分支。

在過去幾年,一隻母鴨嘴獸的一些基因組被序列化,但是在沒有任何 Y 染色體的序列下,仍缺少很多的資訊。藉由使用一隻公鴨嘴獸,研究人員目前已創造出高度準確的鴨嘴獸基因組的物理圖譜。而鴨嘴獸的基因組現在幫助釐清一些相關日期。從針鼴與鴨嘴獸所收集的數據顯示出牠們共同的祖先存活到 5700 萬年前。同時,單孔目整體似乎在大約 1.87 億年前從有袋類以及真獸下綱中分支出來。

即使在過了那麼多時間後,半水生的鴨嘴獸仍然維持幾乎無變化,良好適應於澳大利亞灌木叢中的生態區,而許多有袋類以及真獸下綱的生物就是無法生存於此環境中。

餵乳汁的基因

本研究的作者對鴨嘴獸的性染色體特別地感興趣。牠們的性染色體似乎獨立於其他獸亞綱哺乳類,其中所有的獸亞綱哺乳類都包含一對簡單的 XY 染色體。然而,鴨嘴獸是唯一一種已知有 10 條性染色體的動物(針鼴有 9 條)。鴨嘴獸具有成環狀排列的 5X 及 5Y 染色體,而此環似乎在哺乳類演化的過程中已崩裂成碎片。

研究人員將這項染色體資訊與人類、負鼠、袋獾、雞與蜥蜴的基因組進行比較,結果發現,比起像是人類的哺乳類動物,鴨嘴獸的染色體與像是雞的鳥類具有更多共通處。但是,雖然鴨嘴獸如同雞般的下蛋,他們卻像獸亞綱哺乳類般的餵養幼獸乳汁。因此,並不太意外的,單孔目的基因組包含其他獸亞綱哺乳類所擁有的乳汁基因。

酪蛋白基因(Casein gene)幫忙編碼哺乳類乳汁中的特定蛋白質,但是單卡目似乎包含具有未知功能的多餘酪蛋白基因。這就是說,牠們的乳汁並不像來自母牛或甚至哺乳期人類的乳汁。因此,鴨嘴獸可能並不像其他鳥類及爬蟲類物種般仰賴蛋的蛋白質,因為牠們之後可以透過皮膚上的乳腺來餵養幼獸。

牠們的基因組支持這個結果。當鳥類及爬蟲類依靠三個替大部分雞蛋蛋白質進行編碼的基因時,鴨嘴獸似乎已在大約 1.3 億年前失去大部分這些基因。當日的雞具有所有這三種雞蛋蛋白質基因,人類沒有半個,而鴨嘴獸僅留下一個功能完整的基因。

鴨嘴獸是一個詭異的中間體,而牠的基因組似乎是連到我們自身演化史的橋樑。張博士說:「牠告訴我們,在所有現存哺乳類動物中的乳汁生產都是透過同一組基因而發展出來,這組基因源自活在超過 1.7 億年前的共同祖先,這些祖先與侏儸紀時期的早期恐龍共同生活。」

其他特殊特徵

完整的基因組也揭曉了四個與牙齒發展有關聯的基因已喪失,可能在大約 1.2 億年前消失。為了進食,現在的鴨嘴獸使用一對角質墊來磨碎其食物。

在鴨嘴獸後腿上的毒刺可能可以藉由牠的防禦基因來說明,這些防禦基因與其他哺乳動物的免疫系統有關聯,且似乎會產生牠們毒液中獨特的蛋白質。而同樣也具有完整基因組序列的針鼴似乎已失去關鍵的毒液基因。

研究人員說,他們的研究結果代表著「鴨嘴獸和針鼴的一些最令人著迷的生物學」。他們作出結論:「兩種動物的新基因組會提供我們更進一步的見解來了解獸亞綱哺乳類的革新,以及這些非凡的下蛋哺乳類的生物學及其演化。」

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參考資料:

  1. Cassella, C., (2021, January 8). Now We Know Why Platypus Are So Weird – Their Genes Are Part Bird, Reptile, And Mammal. ScienceAlert

  2. Zhou, Y. et al., (2021, January 6). Platypus and echidna genomes reveal mammalian biology and evolution. Nature. doi.org/10.1038/s41586-020-03039-0

  3. 圖片來源:https://www.futurity.org/platypus-genome-mapping-monotremes-2497502-2/(圖:Getty Images)