为什么99.9%的动物都有尾巴 人类却没有？

为什么99.9%的动物都有尾巴 人类却没有？ 2024 年 3 月，《自然》杂志报道了一项突破性研究，来自哈佛大学、纽约大学等机构的科学家发现，一个名为 Alu 的基因元件的“乱入”，可能是导致人类祖先失去尾巴的关键因素。该研究登上《自然》封面（图片来源：《自然》）科学家的好奇心，源于儿时的疑问这项关于人类尾巴消失之谜的研究，还有一段有趣的“前传”。文章的第一作者兼共同通讯作者夏波，是中国农业大学 2009 级生命科学试验班的学生。多年前，年幼的他曾经思考过一个问题：我为什么没有尾巴？这个看似稚气的疑问却成为他日后科研道路的起点。2019 年夏天，一次意外让夏波的儿时疑问重新浮现。当时，他在给后上出租车的乘客让座时，不慎挫伤了尾骨软组织。对许多人来说，受伤可能只是一段倒霉的经历，但对一个科学家而言，这可能是一次难得的研究契机。夏波就是这样一个善于化“不幸”为动力的人。他决定利用这次意外，重新探寻儿时的那个问题。于是，一项关于人类失去尾巴的遗传机制的研究，就这样开始了。是什么偷走了人类的尾巴？要知道，在灵长类动物大家族中，没有尾巴可是人类和类人猿的独特“标志”。据推测，这一变化发生在大约 2500 万年前。那时，人类的祖先还没有和其他类人猿完全分家，但已经开始悄悄地和尾巴“说再见”了。几种类人猿以及人类的尾骨（图片来源：维基百科）在漫长的进化历程中，古人类的尾巴逐渐退化，最后只剩下 3 到 5 块尾椎骨，形成了我们现在的尾骨。那么，是什么导致了这个变化呢？秘密就藏在我们的基因组里。多亏了近年来灵长类动物基因组测序技术的进步，科学家们得以在庞大的基因序列中寻找蛛丝马迹，将某些基因的变化与生物体的特征联系起来。为了找到人类失去尾巴背后的“元凶”，夏波和他的同事们比对分析了大量灵长类动物的基因组数据。他们重点关注了一些与尾巴发育密切相关的基因，看它们在不同物种间存在什么不同。这些基因就像是控制尾巴生长的“开关”，一旦它们出了问题，尾巴可能就长不出来了。人类胚胎发育时期有尾巴存在（图片来源：维基百科）功夫不负有心人，研究团队最终锁定了一个名为 TBXT 的基因。这个基因在脊椎动物胚胎发育过程中至关重要，它的突变会导致小鼠等模式生物的尾巴缩短甚至完全消失。而让科学家们兴奋的是，他们发现在所有类人猿的 TBXT 基因中，都有一个独特的 Alu 元件插入，而其他猴子却没有。这个 Alu 元件究竟是何方神圣？简单地说，它是散布在我们基因组中的一小段 DNA 序列，就像一个调皮的“不速之客”。平时，它们安安静静地待着，不会对基因功能造成什么影响。但有时，它们会“跳”到某些基因中，改变基因的表达方式，进而影响生物体的性状。在这项研究中，科学家推测，大约 2500 万年前，当人类的祖先还没有和其他猴子“分道扬镳”时，一个 Alu 元件“不请自来”，插入了 TBXT 基因里。小鼠实验成功证实，Alu 元件插入 TBXT 后，会导致该基因的一部分在转录过程中被剪掉，产生一种缺失版本的 TBXT 蛋白。而这种残缺的蛋白，正是导致小鼠尾巴缩短甚至完全消失的元凶。TBXT 基因变异造成的小鼠尾巴缩短乃至消失（图片来源：参考文献1）由此，科学家推测，类似的基因改变可能也发生在我们的祖先身上。当 Alu 元件入侵 TBXT 基因，影响其正常表达时，古人类的尾巴就开始逐渐退化，直至完全消失。奇妙的是，这种改变还可能引发一些其他后果。研究发现，携带变异 TBXT 基因的小鼠，还容易出现神经管缺陷，而神经管闭合缺陷正是人类最常见的出生畸形之一，它的发生概率高达 1/1000。这提示我们，人类尾巴的消失可能并非全无代价，先天缺陷发生的概率也在同时增加了。探索人类进化的奥秘这项研究揭示了人类失去尾巴这一重大进化事件背后的分子机制，它拓展了我们对自身演化历程的认识。同时，它展示了基因组中那些看似无关紧要的元件是如何悄悄改变人类命运的。Alu 元件的插入，虽然是进化历史上的一次“偶然事件”，却对我们的体态、行为乃至健康产生了深远影响。夏波的故事也告诉我们，科学的种子往往早已埋藏在我们儿时的好奇心里。一个偶然的契机，一次意外的受伤，都可能成为我们重拾好奇、追寻真理的转折点。当然，尾巴的消失只是人类进化长河中的一个片段。直立行走、大脑发育、语言能力……每一个特征的形成，背后都有复杂的遗传机制在起作用。这些机制如何演变，如何相互影响，都塑造了今天的我们，还有许多未解之谜等待我们去探索。类人猿尾巴缺失的进化过程（图片来源：参考文献1）这项关于人类失去尾巴的研究，就像是向那个谜题迈出的一小步。在未来，必将有更多这样的步伐，带领我们一点点揭开人类进化的奥秘。参考文献[1]On the genetic basis of tail-loss evolution in humans and apes, Bo Xia et. al[2]生物世界：人类为何没有尾巴？夏波等人发表Nature封面论文，揭示这个跳跃基因抹去了人类的尾巴，并带来了额外风险 ... PC版： 手机版：

人与猿类如何在进化中“甩掉”尾巴

人与猿类如何在进化中“甩掉”尾巴   灵长类动物尾部表型的系统发育树（Ma表示百万年前）。图片来源：《自然》网站这在胚胎发育模型中会影响尾部伸长，意味着这种成分会促进人与猿类尾巴的缩短或退化。此外，科学家认为，失去尾巴的演化过程或导致人与猿类更容易出现神经管畸形。与其它灵长类物种不同，人科猿类包括人类、黑猩猩、大猩猩、红毛猩猩和长臂猿都没有尾巴。尾巴的消失，是人类和其它猿类演化中最显著的身体变化之一。不过，演化掉尾巴的遗传学机制一直有待阐明。此次，包括美国纽约大学朗格尼健康中心科学家在内的研究团队，筛查了与脊椎动物尾巴发育相关的140个基因，寻找可能导致猿类失去尾巴的变化。他们认为，Alu元件插入猿类祖先的Tbxt基因（与有尾动物的尾巴发育相关）可能促进了尾巴的消失。为检测这种理论，他们构建了表达Tbxt基因不同形式的小鼠模型，包括两种外显子跳跃异构体（在猿类中这种异构体可通过插入Alu诱导）。团队发现，表达两种Tbxt形式的小鼠皆没有尾巴，或尾巴变短，具体取决于胚胎尾芽表达的相对数量。这是证明外显子跳跃Tbxt异构体导致尾巴消失的证据。此外，他们还发现表达外显子跳跃Tbxt异构体的小鼠可能会出现神经管畸形，这种疾病在每1000个人类新生儿中约有一例。研究人员指出，神经管畸形可能是尾巴在演化中消失的适应代价。神经管畸形到今天仍在影响人类，包括由于脊髓在子宫内发育不完全导致的脊柱裂。 ... PC版： 手机版：

“绿巨人”蜥蜴揭开基因带来进化适应的秘密

“绿巨人”蜥蜴揭开基因带来进化适应的秘密 隆德大学的研究人员正在研究地中海壁蜥的体形、颜色和行为的进化，重点是神经嵴细胞的作用。他们的研究将实地观察与基因分析相结合，找出了导致壁蜥独特性状的基因。这项研究不仅加深了我们对遗传适应机制的理解，还为在其他脊椎动物物种中开展进一步的进化研究奠定了基础。资料来源：哈维尔-阿巴洛斯适应是一种基因变化，可提高在周围环境中的生存能力。它可能会影响颜色、形状和行为。然而，这种基因如何发挥作用的基础一直是个谜。在一项新的研究中，进化生物学家结合实地考察和 DNA 分析，对地中海地区大型、绿色、好斗、性征突出的壁蜥进行了研究。他们发现了一些导致壁蜥拥有绿巨人般外表的基因。"绿巨人"外观背后的所有组织和器官都是由早期胚胎中形成的神经嵴细胞发育而成的。隆德大学进化生物学家娜塔莉-费纳（Nathalie Feiner）说："我们认为，这些细胞是形状、颜色和行为变化的基础，因此，这些特征是共同进化的。"研究小组对一种常见的壁蜥进行了研究，这种壁蜥具有绿黑相间的颜色、惊人的体型和攻击性行为。具有这种外貌的雄性壁蜥出现在几千年前，靠近今天的罗马，并显示出对其他颜色组合的雄性壁蜥的优势。这导致绿巨人蜥蜴遍布整个意大利。绿巨人蜥蜴。图片来源：哈维尔-阿巴洛斯"我们对神经嵴细胞的了解几乎完全来自小鼠等少数模式生物。我们现在正在绘制蜥蜴胚胎中这种细胞的图谱，以了解绿巨人蜥蜴等现象是如何进化的。"在接下来的几年里，费纳和她的团队将开展更多的实地研究，建立繁殖小组，并进行先进的遗传分析，包括使用 CrispR-Cas9 基因编辑技术。所有这一切的目的都是为了确定神经嵴细胞在颜色、形状和行为的交织进化中扮演着什么样的角色。"我们的研究重点是蜥蜴，但我们的发现可能适用于所有具有神经嵴细胞的动物，这将涵盖约 7 万种脊椎动物。"她说："虽然我们的工作为进化如何发挥作用提供了一种可能的解释，但它也是许多新研究领域的开端。"编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

解码小鼠的思维：索尔克研究所具有里程碑意义的表观基因组大脑图谱

解码小鼠的思维：索尔克研究所具有里程碑意义的表观基因组大脑图谱 这些工作由美国国立卫生研究院的"通过推进创新神经技术进行大脑研究计划"（BRAINInitiative）负责协调，该计划的最终目标是为哺乳动物的大脑绘制一幅全新的动态图像。索尔克教授、遗传学国际理事会主席、霍华德-休斯医学研究所研究员约瑟夫-埃克（Joseph Ecker）说："通过这项工作，我们不仅获得了关于哪些细胞构成了小鼠大脑的大量信息，还了解了这些细胞内的基因是如何被调控的，以及这些基因是如何驱动细胞功能的。当利用这个基于表观基因组的细胞图谱，开始研究已知会导致人类疾病的基因变异时，就会对哪些细胞类型在疾病中可能最脆弱有了新的认识"。美国国立卫生研究院大脑计划于 2014 年启动，已为研究人员提供了 30 多亿美元的资金，用于开发变革性技术并将其应用于脑科学。2021年，得到"脑神经启示录计划"（BRAIN Initiative）支持的研究人员包括索尔克（Salk）的团队公布了小鼠大脑图谱的初稿，该图谱开创了描述神经元特征的新工具，并将这些工具应用于小鼠大脑的小切片。今年早些时候，许多相同的技术被用于绘制最初的人脑图谱。在最新的工作中，研究人员扩大了研究细胞的数量和小鼠大脑的区域，并使用了过去几年才出现的新的单细胞技术。左上图：解剖小鼠大脑的三维效果图，根据解剖的脑区划分为不同的部分；左下图：小鼠大脑的三维效果图，根据解剖的脑区划分为不同颜色的部分（黄色、蓝色、水蓝色、绿色、粉色、橙色、棕色、红色）。右上角：小鼠大脑的垂直切片，不同颜色（橙色、绿色、蓝色、水蓝色、红色、紫色）代表不同细胞类型，代表特定细胞类型在该切片中的空间位置；右下角：小鼠大脑的垂直切片，不同颜色（橙色、绿色、蓝色、水蓝色、红色、紫色）代表不同细胞类型，代表特定细胞类型在该切片中的空间位置：多色圆圈（黄色、蓝色、水蓝色、绿色、粉红色、橙色、棕色、红色）代表根据表观基因组剖析在小鼠整个大脑中发现的细胞类型的数量和多样性。资料来源：索尔克研究所全脑分析和公众可及性两篇新论文的资深作者爱德华-卡拉韦教授说："这是整个大脑的研究，以前从未有过。观察整个大脑会产生一些想法和原理，而这些想法和原理是你每次观察一个部分所无法了解的"。为了帮助其他研究小鼠大脑的研究人员，新数据通过一个在线平台公开发布，不仅可以通过数据库进行搜索，还可以使用人工智能工具 ChatGPT 进行查询。索尔克研究教授玛格丽塔-贝伦斯（Margarita Behrens）补充说："将小鼠作为模式生物的人非常多，这为他们在涉及小鼠大脑的研究中提供了一个非常强大的新工具。"这期《自然》特刊共刊登了 10 篇美国国立卫生研究院大脑计划（NIH BRAIN Initiative）的文章，其中 4 篇由索尔克研究人员合著，描述了小鼠大脑的细胞及其连接。这四篇论文中的亮点包括单细胞 DNA 甲基化图谱为了确定小鼠大脑中的所有细胞类型，索尔克研究人员采用了一次分析一个脑细胞的尖端技术。这些单细胞方法既研究细胞内DNA的三维结构，也研究DNA上附着的甲基化学基团的模式这是基因受细胞控制的两种不同方式。2019年，埃克的实验室小组开创了同时进行这两项测量的方法，这让研究人员不仅能研究出不同细胞类型中哪些基因程序被激活，还能研究出这些程序是如何开启和关闭的。研究小组发现了基因在不同细胞类型中通过不同方式被激活的例子，就像用两个不同的开关打开或关闭电灯一样。了解了这些重叠的分子回路，研究人员就能更容易地开发出干预脑部疾病的新方法。埃克实验室的博士后研究员、本文第一作者刘汉清说："如果你能了解这些细胞类型中所有重要的调控元素，你也就能开始了解细胞的发育轨迹，这对了解自闭症和精神分裂症等神经发育疾病至关重要。"研究人员还对大脑的哪些区域含有哪些细胞类型有了新的发现。在对这些细胞类型进行编目时，他们还发现脑干和中脑的细胞类型远远多于大得多的大脑皮层这表明大脑的这些较小部分可能进化出了更多的功能。单细胞染色质图另一种间接确定DNA结构以及细胞正在积极利用哪段遗传物质的方法是测试哪些DNA可以被其他分子结合。加州大学圣地亚哥分校的任兵（Bing Ren）领导的研究人员（包括索尔克的埃克和贝伦斯）利用这种称为染色质可及性的方法，绘制了来自117只小鼠的230万个脑细胞的DNA结构图。然后，研究小组利用人工智能，根据这些染色质可及性模式，预测DNA的哪些部分是细胞状态的总体调控因子。他们发现的许多调控元件都位于DNA片段中，而这些DNA片段已经与人类脑部疾病有牵连；关于哪些细胞类型使用哪些调控元件的新知识有助于确定哪些细胞与哪些疾病有牵连。神经元投射和连接在贝伦斯、卡拉韦和埃克共同撰写的另一篇论文中，研究人员绘制了整个小鼠大脑神经元之间的连接图。然后，他们分析了这些图谱与细胞内甲基化模式的对比。这让他们发现了哪些基因负责引导神经元到达大脑的哪些区域。埃克实验室的博士后研究员、该论文的共同第一作者周景天（音译）说："我们发现了某些规则，这些规则根据细胞的DNA甲基化模式决定细胞投射到哪里。"神经元之间的连接对其功能至关重要，而这套新规则可能有助于研究人员研究疾病中出现问题的原因。比较小鼠、猴子和人类的运动皮层运动皮层是哺乳动物大脑中参与计划和执行自主肢体运动的部分。贝伦斯、埃克和任领导的研究人员研究了来自人类、小鼠和非人灵长类运动皮层的 20 多万个细胞的甲基化模式和 DNA 结构，以更好地了解运动皮层细胞在人类进化过程中的变化。他们能够确定特定调控蛋白的进化与基因表达模式进化之间的相关性。他们还发现，近 80% 的人类特有的调控元件是可转座元件DNA 的移动小段，可以很容易地改变在基因组中的位置。"我认为，总的来说，这一整套研究为其他人未来的研究提供了蓝图，"索尔克分子神经生物学文森特-科茨讲座教授卡拉韦说。"研究特定细胞类型的人现在可以查看我们的数据，了解这些细胞的所有连接方式以及它们的所有调控方式。这是一种资源，可以让人们提出自己的问题"。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

为什么人类能看到狗看不到的颜色？新研究解释了原因

为什么人类能看到狗看不到的颜色？新研究解释了原因 作者、生物学副教授罗伯特-约翰斯顿（Robert Johnston）说："这些视网膜有机体让我们第一次研究了这种非常具有人类特异性的特征。这是一个是什么让我们成为人类，是什么让我们与众不同的重要问题。"发表在《PLOS Biology》上的这一研究成果加深了人们对色盲、老年性视力丧失以及其他与感光细胞有关的疾病的了解。它们还证明了基因如何指示人类视网膜制造特定的色觉细胞，而科学家们认为这一过程是由甲状腺激素控制的。通过调整有机体的细胞特性，研究小组发现，一种名为视黄酸的分子决定了视锥是专门感应红光还是绿光。只有视力正常的人类和近亲灵长类动物才会发育红色传感器。几十年来，科学家们一直认为红色锥体是通过一种类似于抛硬币机制形成的，在这种机制下，细胞杂乱无章地致力于感知绿色或红色波长约翰斯顿团队最近的研究暗示，这一过程可能受甲状腺激素水平的控制。而新的研究表明，红色锥状体的形成是通过视黄酸在眼内精心策划的一连串特定事件实现的。视网膜有机体的标记，蓝色锥体为青色，绿色/红色锥体为绿色。帮助眼睛在弱光或黑暗条件下看东西的视杆细胞用品红色标出。资料来源：Sarah Hadyniak/约翰霍普金斯大学研究小组发现，在有机体早期发育过程中，视黄酸含量高，绿色视锥的比例就高。同样，低浓度的视黄酸会改变视网膜的遗传指令，在发育后期产生红色视锥。约翰斯顿说："这可能仍有一些随机性，但我们的重大发现是，视黄酸是在发育早期产生的。这个时机对于学习和了解这些视锥细胞是如何产生的真的很重要。"绿视锥细胞和红视锥细胞非常相似，除了一种叫做视蛋白的蛋白质，它能检测光线并告诉大脑人们看到的颜色。不同的视蛋白决定了视锥细胞是成为绿色传感器还是红色传感器，尽管每个传感器的基因有96%是相同的。研究小组采用一种突破性技术，发现了有机体中这些微妙的基因差异，并在 200 天内跟踪了锥体比例的变化。作者莎拉-哈迪尼亚克（Sarah Hadyniak）说："因为我们可以控制有机体中绿色和红色细胞的数量，所以我们可以推动细胞池变得更绿或更红，这对弄清视黄酸如何作用于基因具有重要意义。"她是约翰斯顿实验室的博士生，现在杜克大学工作。研究人员还绘制了 700 名成年人视网膜中这些细胞的不同比例。哈迪尼亚克说，看到人类的绿色和红色视锥比例如何变化是这项新研究最令人惊讶的发现之一。人类视网膜的切片。蓝色虚线表示单个绿色视锥，粉红色表示单个红色视锥。图片来源：Sarah Hadyniak/约翰霍普金斯大学科学家们仍然不完全明白绿色和红色锥状细胞的比例为什么会变化如此之大，而不会影响人的视力。约翰斯顿说，如果这些细胞决定了人类手臂的长度，那么不同的比例将产生"惊人差异"的手臂长度。黄斑变性会导致视网膜中心附近的光感受细胞丧失，为了了解黄斑变性等疾病，研究人员正在与约翰霍普金斯大学的其他实验室合作。目的是加深他们对锥状细胞和其他细胞如何与神经系统联系的理解。"未来的希望是帮助人们解决这些视力问题，"约翰斯顿说。"要实现这一目标还需要一段时间，但只要知道我们能制造出这些不同类型的细胞，就非常非常有希望。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

研究发现癌症可以在没有基因突变的情况下发生

研究发现癌症可以在没有基因突变的情况下发生 虽然已有研究描述了这些过程对癌症发展的影响，但这是科学家们首次证明基因突变并非癌症发病的必要条件。这一发现迫使我们重新考虑 30 多年来一直认为癌症主要是遗传疾病的理论，即癌症必然是由基因组水平上累积的DNA变异引起的。通过降低多聚核蛋白的表达水平而获得肿瘤的例子。左边是正常发育过程中眼睛前体组织的例子。右图是通过降低多聚核蛋白的表达水平而诱发的肿瘤。DNA 被染成蓝色。位于细胞末端的一种蛋白质被标记为绿色，以显示细胞在组织中的组织方式。肿瘤中失去了正常的组织结构。比例尺：100 微米。图片来源： Giacomo Cavalli为了证明这一点，研究小组重点研究了能改变基因活动的表观遗传因素。通过在果蝇体内造成表观遗传失调，然后将细胞恢复到正常状态，科学家们发现基因组的部分功能仍然失调。这种现象会诱发一种肿瘤状态，这种肿瘤状态会自主维持并继续发展，即使导致肿瘤的信号已经恢复，这些细胞的癌变状态仍会保持在记忆中。这些结论将于2024年4月24日发表在《自然》杂志上，为肿瘤学开辟了新的治疗途径。说明在人类遗传学研究所（法国国家科学研究中心/蒙彼利埃大学）工作。表观遗传学研究的是在相同的 DNA 序列下，不同基因表达谱的遗传机制。基因组被定义为细胞或生物体内所含的遗传物质集合，也就是整个 DNA 序列。科学家们重点研究了被称为多聚核蛋白的表观遗传因子，它们调控着关键基因的表达，在许多人类癌症中都出现了失调。当这些蛋白被实验性地移除时，目标基因的活性就会被打乱：一些基因可以激活自身的转录并自我维持。当多聚核糖蛋白重新整合到细胞中时，一部分基因会对这些蛋白产生抗性，并在细胞分裂过程中保持失调，从而使癌症继续发展。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：