撰文?|?玉寶

圖1：馬德拉鼠。圖源：Sofia Gabriel

迅速變異：千年形成六個(gè)新物種

在葡萄牙的馬德拉島，生活著六種長(zhǎng)相相似的小鼠，可稱之為馬德拉鼠。它們雖然看起來(lái)非常相像，但卻存在生殖隔離，也就是無(wú)法在自然條件下相互交配，或交配后無(wú)法產(chǎn)生可育的后代，這符合生物學(xué)上劃分新物種的標(biāo)準(zhǔn)，因此這六種小鼠屬于不同的物種。
科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，這六種小鼠是在過(guò)去的一千年當(dāng)中分化而成；在一千年前，它們有著共同的祖先。2000年的一篇Nature論文[1]提升了學(xué)界對(duì)馬德拉鼠的研究熱度，馬德拉島隨后就像太平洋上的加拉帕戈斯群島一樣，成為研究生物演化的另一個(gè)圣地。眾所周知，1835年參加遠(yuǎn)洋航行的達(dá)爾文就是在見到加拉帕戈斯島上的象龜、達(dá)爾文雀等特有物種后，逐步形成了生物演化理論或進(jìn)化論。

圖2：馬德拉群島屬于葡萄牙領(lǐng)土，人口約25萬(wàn)，位于葡萄牙本土西南方向1077千米。島嶼最長(zhǎng)處57千米、最處寬22千米。丨圖源：wikipedia

生活在馬德拉島上的小鼠有什么特別之處呢？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，它們的基因數(shù)目差別不大，但染色體的結(jié)構(gòu)和數(shù)目會(huì)有所差異。這說(shuō)明，馬德拉小鼠的演化走的不是基因變異的路線，而是通過(guò)我們較少聽說(shuō)的染色體變異（chromosomal variation）來(lái)完成的。普通實(shí)驗(yàn)室小鼠（Mus musculus）的染色體數(shù)目是20對(duì)40條，而馬德拉鼠的染色體數(shù)目介于22-40條之間。大部分突變的馬德拉鼠很難產(chǎn)生下一代，要么在胚胎期死亡，要么在出生后因各種缺陷而死亡。少數(shù)能夠繁育且能適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的，就會(huì)把變異保留下來(lái)，也就是我們現(xiàn)在看到的六種馬德拉鼠。

羅氏易位：也曾造就人類

借助染色體顯帶技術(shù)，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室可以輕易發(fā)現(xiàn)染色體的各種數(shù)目和結(jié)構(gòu)變異。造成馬德拉鼠染色體差異的主要原因是發(fā)生了羅賓遜易位（Robertsonian translocation），簡(jiǎn)稱羅氏易位。

圖3：馬德拉鼠的羅氏易位分布。羅氏易位在種群中非常常見，不過(guò)大部分易位不會(huì)傳給下一代。[1]

羅氏易位是指某兩條染色體的長(zhǎng)臂融合成為一條染色體，并失去短臂。在細(xì)胞分裂的中期，有些染色體的著絲粒會(huì)位于染色體的一端，其短臂極短，這一類染色體稱為近端著絲粒染色體，羅氏易位往往發(fā)生在近端著絲粒類型的染色體之間。例如，人類的二號(hào)染色體，就是在數(shù)百萬(wàn)年之前由兩條染色體發(fā)生了羅氏易位融合而成的[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，羅氏易位在新生兒中的發(fā)生率是千分之一[3]，大部分患兒會(huì)產(chǎn)生健康問(wèn)題，如唐氏綜合征和巴陶氏綜合征。

圖4：羅氏易位原理圖（作者作圖）
馬德拉鼠的羅氏易位情況與人類似：在鼠群中以一定概率發(fā)生，少部分不影響生殖和健康的易位被保留下來(lái)，進(jìn)而逐步在種群中擴(kuò)散，甚至形成新的小鼠類群。在這個(gè)740平方千米的島嶼上，目前確定有六種小鼠，它們的染色體核型明顯不一樣?？梢韵胍?，隨著采樣密度增加或時(shí)間推移，大概率還會(huì)發(fā)現(xiàn)/出現(xiàn)新的小鼠種系。
據(jù)推測(cè)，島上的小鼠祖先來(lái)自一千年前在此?？康木S京海盜船，另一個(gè)說(shuō)法是隨15世紀(jì)葡萄牙殖民者的船而來(lái)。在現(xiàn)當(dāng)代，隨著船舶或壓艙水而蔓延到世界各地的動(dòng)物造成的物種入侵案例，也是數(shù)不勝數(shù)。
回顧中學(xué)生物知識(shí)，1個(gè)卵母細(xì)胞經(jīng)過(guò)兩輪減數(shù)分裂，形成了1個(gè)卵細(xì)胞和3個(gè)極體。極體的命運(yùn)是退化消失，只有卵細(xì)胞才會(huì)參與受精過(guò)程和個(gè)體發(fā)育。中學(xué)教科書寫著，物種染色體突變的特點(diǎn)是無(wú)偏好、隨機(jī)發(fā)生，后代比例符合孟德爾遺傳定律。但馬德拉鼠的染色體分離并不如此：在雌性小鼠減數(shù)分裂過(guò)程中，羅氏易位大概率會(huì)借助卵細(xì)胞傳給下一代，而不是進(jìn)入極體走向“絕路”。因?yàn)闃O體的命運(yùn)是退化或死亡，并不參與受精過(guò)程及個(gè)體發(fā)育。

圖5：減數(shù)第二次分裂，形成1個(gè)卵細(xì)胞和3個(gè)極體；極體退化死亡。丨來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
那么，為什么發(fā)生了羅氏易位的“大染色體”（兩個(gè)長(zhǎng)臂融合，染色體體型較大）傾向于進(jìn)入卵細(xì)胞而不是極體？
答案在著絲粒上。著絲粒是真核生物細(xì)胞中連接紡錘絲和染色體的結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，羅氏易位后形成的染色體往往DNA含量更高，附著了更多的著絲粒蛋白，因此“大染色體”更容易分配到卵細(xì)胞中而不是極體中。

圖6：染色體示意圖。

①染色體分節(jié) ②中節(jié)，將染色體分為二臂。中節(jié)包含著絲粒（kinetochore），著絲粒是一種復(fù)合蛋白，將將染色體和紡錘絲微管相結(jié)合。③短臂 ④長(zhǎng)臂丨來(lái)源：Wikipedia

自私染色體，善于“搭便車”

動(dòng)物學(xué)家Michael J. D. White在50多年前曾提出，羅氏易位善于搭減數(shù)分裂的“便車”而傳下去。他認(rèn)為，“少數(shù)染色體重排——例如羅氏易位——能夠在物種形成中發(fā)揮作用，在雌性的減數(shù)分裂過(guò)程中產(chǎn)生特定的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而通過(guò)這些機(jī)制形成生殖隔離”。馬德拉鼠染色體變異的機(jī)制證明了他的理論。
植物中是否也有類似的現(xiàn)象？
實(shí)際上，在馬德拉鼠之前，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)玉米和黃色猴面花等植物中具有大染色體的表型。

圖7：Ab10突變體玉米丨圖源：網(wǎng)絡(luò)
1942年，遺傳學(xué)家Marcus Rhoades發(fā)現(xiàn)[4]，玉米的10號(hào)染色體有一個(gè)普遍發(fā)生的變異——Ab10，也是由羅氏易位形成的。具有Ab10突變?nèi)旧w的玉米棒以黑粒玉米為主，間雜少量黃粒，而黑粒玉米棒出現(xiàn)的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出隨機(jī)發(fā)生的比例。對(duì)此，Rhoades提出的解釋是：
帶Ab10的染色體更容易進(jìn)入到發(fā)育成卵細(xì)胞（而非極體）的位置，因此易位的后代個(gè)體數(shù)更多，其后代比例不符合孟德爾定律?，F(xiàn)在我們知道， Ab10的確在減數(shù)分裂過(guò)程中更容易進(jìn)入卵細(xì)胞，這和馬德拉鼠的羅氏易位是相似的。
Rhoades的發(fā)現(xiàn)是歷史上對(duì)“減數(shù)分裂驅(qū)動(dòng)”現(xiàn)象的第一例報(bào)告。所謂減數(shù)分裂驅(qū)動(dòng)，是指機(jī)體的染色體在減數(shù)分裂時(shí)因自私基因干擾, 后代比例偏離了孟德爾遺傳的期望比例。受“自私基因”（selfish gene）概念啟發(fā)，人們把玉米的10號(hào)染色體稱為“自私染色體”。直到2018年，才有一篇論文解釋清楚了Ab10的發(fā)生機(jī)制，揭示了參與這一過(guò)程的核心蛋白KINDR以及它的功能[5]。

圖8：常見的猴面花品種之一（左上）和黃猴面花（右上）。黃猴面花野生型（左下）卵子顯性比例是50%，后代比例符合孟德爾遺傳定律。而發(fā)生羅氏易位的突變型黃猴面花（右下圖），98%的卵子都是突變攜帶者，后代比例不再符合孟德爾遺傳定律。

黃猴面花?(Mimulus guttatus)?的遺傳是減數(shù)分裂驅(qū)動(dòng)（Meiotic drive）理論的另一個(gè)例證。2008年一篇論文表明[6]，大著絲粒的黃色猴面花個(gè)體會(huì)產(chǎn)生更多后代，甚至顯性純合后代比例占實(shí)驗(yàn)群體總數(shù)的50%左右，而按孟德爾遺傳定律這一比例應(yīng)該是25%才對(duì)。參與這一機(jī)制的分子有CENP-A和CenH3等。

頻繁的變異：為自然選擇提供素材

通過(guò)上述案例，大家知道著絲粒在減數(shù)分裂中扮演的角色十分重要，沒(méi)有它，減數(shù)分裂、有絲分裂都無(wú)法進(jìn)行。那么，從常理出發(fā)，著絲粒的基因序列和蛋白在演化上應(yīng)該非常保守（不輕易發(fā)生改變）才對(duì)，但事實(shí)是，真核生物的著絲粒蛋白、以及基因都不保守，變異非?？?。
為什么會(huì)發(fā)生這種悖論？2001年有科學(xué)家解釋說(shuō)[7]，是因?yàn)橹z粒參與了減數(shù)分裂驅(qū)動(dòng)。根據(jù)這一解釋，著絲粒的基因序列——如玉米的Ab10——想“綁架”了行使染色體分離功能的“機(jī)器”，使這個(gè)“機(jī)器”不斷產(chǎn)生染色體變異，例如產(chǎn)生染色體非整數(shù)倍的卵細(xì)胞。變異的“危害”有大有小、也有中性突變，并非都是致死性的，所以這一過(guò)程就一直在快速演化，而沒(méi)有從群體中消失。
在小鼠中，減數(shù)分裂驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象同樣存在。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，具有GTP酶活性的Ran和Cdc42的表達(dá)產(chǎn)物（蛋白質(zhì)）參與了減數(shù)分裂驅(qū)動(dòng)，影響到紡錘體的定位和極性建立[8]。通過(guò)把“大著絲?！北硇团c“小著絲?！北硇偷男∈箅s交，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，含“大著絲?！笔蟮娜旧w更容易進(jìn)入卵細(xì)胞而不是極體。
演化從未終止，篩選無(wú)處不在。對(duì)于機(jī)體演化適應(yīng)性，減數(shù)分裂驅(qū)動(dòng)或“自私染色體”有什么意義呢？
至少有一點(diǎn)是明確的：通過(guò)調(diào)控著絲粒與紡錘體微管相互作用，同源染色體會(huì)出現(xiàn)功能上的差異，為自然選擇提供源源不斷的素材。唯有如此，當(dāng)自然環(huán)境或人工環(huán)境變動(dòng)不居時(shí)，總有一部分?jǐn)y帶某些變異的生物可以適應(yīng)，逐漸造就更多的品系乃至物種。
要知道，數(shù)百萬(wàn)年前的一次羅氏易位使得人的祖先與猿的祖先分離，類人猿才逐步演化成當(dāng)今的人類。

參考文獻(xiàn)

[1]?Janice BD et al, Rapid chromosomal evolution in island mice. Nature 2000, 403(6766): 158

[2]?Pawe? Stankiewicz. One pedigree we all may have come from –did Adam and Eve have the chromosome2 fusion? Molecular Cytogenetics 2016, 9:72

[3]?Song JP et al. A family with Robertsonian translocation: a potential mechanism of speciation in humans. Mol Cytogenet. 2016, 9: 48.

[4]?Rhoades M. Preferential segregation in maize. Genetics 1942, 27:395–407.

[5]??R. Kelly Dawe et al. A Kinesin-14 Motor Activates Neocentromeres to Promote Meiotic Drive in Maize. Cell 2018 173(4), P839-850?

[6]?Finseth Fret al. Selfish chromosomal drive shapes recent centromeric histone evolution in monkeyflowers. PLoS Genet 2021, 17(4): e1009418.

[7]?Harmit S Malik et al. Conflict begets complexity: the evolution of centromeres. Cur Opin in Gene & Dev 2002, 12: 711–718

[8]?Benoit D et al. Ran GTPase promotes oocyte polarization by regulating ERM Ezrin/ Radixin/ Moesin inactivation. Cell Cycle. 2013 Jun 1;12(11):1672-8.

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