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人类为何没有尾巴：基因序列的奇妙旅程
科学家发现，人类和大猩猩失去尾巴的遗传机制与被称为“跳跃基因”的Alu序列有关。
为什么人类没有尾巴？这个问题长久以来一直困扰着科学家。大多数有脊椎的动物都有尾巴，它们用尾巴来保持平衡、推进移动、沟通和防御昆虫叮咬。然而，大约2500万年前，人类和我们的近亲——大猩猩——失去了尾巴。这一失去长期以来与我们的直立行走和双足行走的转变有关，但关于触发无尾的遗传因素，人们知之甚少。
现在，科学家们追踪到我们的无尾特征可以追溯到我们基因组中丰富的一小段遗传代码，这段代码被称为Alu元件，几十年来一直被当作无用的“垃圾DNA”。他们发现，这个片段位于与尾巴长度相关的基因TBXT的调控代码中。Alu元件也是一类被称为“跳跃基因”的遗传序列，它们能够在基因组中改变位置，并触发或撤销突变。
在遥远的过去，Alu元件AluY跳入了hominoids(大猩猩和人类)祖先的TBXT基因中。当科学家比较了六种hominoids物种和十五种非hominoids灵长类动物的DNA时，他们发现只有在hominoids基因组中才有AluY，科学家们在2月28日的《自然》杂志上报告了这一发现。通过大约四年的基因改造小鼠实验，调整这些啮齿动物TBXT基因中的Alu插入，导致了尾巴长度的变化。
研究的主要作者、基因调控观测所的研究助理、麻省理工学院和哈佛大学Broad研究所的主要研究员Bo Xia表示，在这项研究之前，“关于hominoids为何进化成无尾，有很多假设”，最常见的假设将无尾与直立姿势和双足行走的进化联系起来。
但是，至于确切地识别人类和大猩猩是如何失去尾巴的，“以前没有发现或假设过”，Xia在一封电子邮件中告诉CNN。“我们的发现是第一次提出一个遗传机制，”他说。
由于尾巴是脊柱的延伸，这项发现也可能对理解人类胎儿发育期间可能发生的神经管畸形有所启示。
研究人员的突破性时刻来自于Xia在审查发育生物学家广泛使用的在线数据库中的TBXT基因区域时，研究的合著者、纽约大学格罗斯曼医学院系统遗传学和生物化学及分子药理学教授Itai Yanai说。
“这一定是成千上万其他遗传学家看过的东西，”Yanai告诉CNN。“这是不可思议的，对吧？每个人都在看同样的东西，而Bo却注意到了他们都没注意到的东西。”
Alu元件在人类DNA中很丰富；TBXT中的插入是我们基因组中的“百万分之一”，Yanai说。但是，虽然大多数研究人员将TBXT的Alu插入视为垃圾DNA，Xia却注意到它与一个邻近的Alu元件的接近。他怀疑如果它们配对，可能会触发破坏TBXT基因中蛋白质生产的过程。
在他们的实验中，研究人员使用CRISPR基因编辑技术培育了带有TBXT基因中Alu插入的小鼠。他们发现Alu使TBXT基因产生了两种蛋白质。其中一种导致尾巴变短；基因产生的这种蛋白质越多，尾巴就越短。
这一发现增加了越来越多的证据，表明Alu元件和其他家族的跳跃基因可能并非“垃圾”。“虽然我们了解它们在基因组中的复制方式，但现在我们不得不思考它们也如何塑造了生理学、形态学、发育的非常重要的方面，”Yanai说。“我认为，一个小小的Alu元件——一个小小的东西——可以导致像尾巴这样的整个附肢的丧失，这是令人震惊的。”
Xia补充说，Alu机制影响基因功能的效率和简单性长期以来被低估了。
“我越研究基因组，就越意识到我们对它的了解有多么少，”Xia说。
尾巴和树栖生活
人类在胎儿发育期间仍然有尾巴；这个小小的附肢是从所有脊椎动物有尾巴的祖先那里遗传来的，包括10到12个椎骨。它只在妊娠的第五到第六周可见，到了胎儿的第八周，尾巴通常就消失了。一些婴儿保留了尾巴的胚胎残余，但这非常罕见，这样的尾巴通常没有骨骼和软骨，也不属于脊柱的一部分，另一组研究人员在2012年报告说。
但是，尽管这项新研究解释了人类和大猩猩失去尾巴的“如何”，“为什么”仍然是一个开放的问题，德克萨斯大学奥斯汀分校人类学系的生物人类学家Liza Shapiro说。
“我认为，确定可能导致hominoids失去尾巴的遗传机制非常有趣，这篇论文在这方面做出了有价值的贡献，”没有参与研究的Shapiro在一封电子邮件中告诉CNN。
“然而，如果这是一种随机导致我们猿类祖先失去尾巴的突变，它仍然引发了一个问题，即这种突变是否因为功能上有益(一种进化适应)而被保留，或者只是没有妨碍，”研究脊柱在灵长类动物运动中的作用和位置的Shapiro说。
在古代灵长类动物开始用两条腿行走的时候，它们已经失去了尾巴。最早的hominids成员是早期的猿Proconsul和Ekembo(分别在肯尼亚发现，距今2100万年前和1800万年前)。化石显示，尽管这些古代灵长类动物没有尾巴，但它们是树栖的，用四条腿行走，身体姿势像猴子一样水平，Shapiro说。
“所以尾巴先丢失，然后我们与活着的猿类相关的运动方式随后进化，”Shapiro说。“但这并没有帮助我们理解尾巴最初为什么会丢失。”
直立行走和尾巴丢失在功能上是联系在一起的，尾巴肌肉被重新用作盆底肌肉，“这是一个老观念，与化石记录不一致，”她补充说。
“进化是从已经存在的东西开始的，所以我不会说尾巴的丧失以任何直接的方式帮助我们理解人类双足行走的进化。它帮助我们理解我们的猿类祖先，”她说。
尾巴和时间一样古老
对于现代人来说，尾巴是一个遥远的遗传记忆。但我们尾巴的故事远未结束，还有许多关于尾巴丢失的科学探索，Xia说。
未来的研究可能会调查TBXT中Alu元件的其他后果，例如对人类胚胎发育和行为的影响，他建议。尽管尾巴的缺失是Alu插入最明显的后果，但这个基因的存在可能也触发了其他发育变化——以及早期hominoids的运动和相关行为的变化——以适应尾巴的丢失。
可能还有其他基因在尾巴丢失中起了作用。虽然Alu的作用“似乎非常重要”，但其他遗传因素可能也促成了我们灵长类祖先尾巴的永久消失，Xia说。
“合理的假设是，在那个时候，有更多的突变与稳定尾巴的丢失有关，”Yanai说。而且因为这种进化变化是复杂的，我们的尾巴已经永远消失了，他补充说。即使研究中确定的驱动突变可以被撤销，“它仍然不会让尾巴回来。”
新的发现也可能揭示胚胎中一种称为脊柱裂的神经管缺陷的原因。在他们的实验中，研究人员发现，当小鼠被基因工程改造以失去尾巴时，有些小鼠发展出了类似于人类脊柱裂的神经管畸形。
“也许我们在人类中出现这种状况的原因，是因为我们的祖先在2500万年前为了失去尾巴而做出的这种权衡，”Yanai说。“现在我们已经将这种特定的遗传元件和这个特别重要的基因联系起来，它可以为研究神经缺陷开辟新的途径。”
