好快的染色体变异!岛上小鼠千年分化为六种

作者: 玉宝

来源: 返朴

发布日期: 2023-05-09 08:01:56

在葡萄牙的马德拉岛,生活着六种小鼠,它们虽然长相相似,但存在生殖隔离,属于不同物种。科学家发现,这些小鼠是在过去的一千年中通过染色体变异分化而成的。这种变异主要是罗氏易位,即两条染色体的长臂融合成为一条染色体,并失去短臂。这种变异在鼠群中以一定概率发生,少部分不影响生殖和健康的易位被保留下来,逐步在种群中扩散,甚至形成新的鼠类群。这种现象不仅在动物中存在,在植物如玉米和黄色猴面花中也有发现。频繁的染色体变异为自然选择提供了素材,推动了物种的演化。

演化从未终止,筛选无处不在。在葡萄牙的马德拉岛,生活着六种长相相似的小鼠,可称之为马德拉鼠。它们虽然看起来非常相像,但却存在生殖隔离,也就是无法在自然条件下相互交配,或交配后无法产生可育的后代,这符合生物学上划分新物种的标准,因此这六种小鼠属于不同的物种。科学家研究发现,这六种小鼠是在过去的一千年当中分化而成;在一千年前,它们有着共同的祖先。

2000年的一篇Nature论文提升了学界对马德拉鼠的研究热度,马德拉岛随后就像太平洋上的加拉帕戈斯群岛一样,成为研究生物演化的另一个圣地。

生活在马德拉岛上的小鼠有什么特别之处呢?科学家发现,它们的基因数目差别不大,但染色体的结构和数目会有所差异。这说明,马德拉小鼠的演化走的不是基因变异的路线,而是通过我们较少听说的染色体变异(chromosomal variation)来完成的。

普通实验室小鼠(Mus musculus)的染色体数目是20对40条,而马德拉鼠的染色体数目介于22-40条之间。大部分突变的马德拉鼠很难产生下一代,要么在胚胎期死亡,要么在出生后因各种缺陷而死亡。少数能够繁育且能适应当地环境的,就会把变异保留下来,也就是我们现在看到的六种马德拉鼠。

罗氏易位是指某两条染色体的长臂融合成为一条染色体,并失去短臂。在细胞分裂的中期,有些染色体的着丝粒会位于染色体的一端,其短臂极短,这一类染色体称为近端着丝粒染色体,罗氏易位往往发生在近端着丝粒类型的染色体之间。例如,人类的两号染色体,就是在数百万年之前由两条染色体发生了罗氏易位融合而成的。据统计,罗氏易位在新生儿中的发生率是千分之一,大部分患儿会产生健康问题,如唐氏综合征和巴陶氏综合征。

马德拉鼠的罗氏易位情况与人类类似:在鼠群中以一定概率发生,少部分不影响生殖和健康的易位被保留下来,进而逐步在种群中扩散,甚至形成新的鼠类群。在这个740平方千米的岛屿上,目前确定有六种小鼠,它们的染色体核型明显不一样。可以想见,随着采样密度增加或时间推移,大概率还会发现/出现新的鼠种系。

据推测,岛上的小鼠祖先来自一千年前在此停靠的维京海盗船,另一个说法是随15世纪葡萄牙殖民者的船而来。在现当代,随着船舶或压舱水而蔓延到世界各地的动物造成的物种入侵案例,也是数不胜数。

回顾中学生物知识,1个卵母细胞经过两轮减数分裂,形成了1个卵细胞和3个极体。极体的命运是退化消失,只有卵细胞才会参与受精过程和个体发育。

中学生物教科书写着,物种染色体突变的特点是无偏好、随机发生,后代比例符合孟德尔遗传定律。但马德拉鼠的染色体分离并不如此:在雌性小鼠减数分裂过程中,罗氏易位大概率会借助卵细胞传给下一代,而不是进入极体走向“绝路”。因为极体的命运是退化或死亡,并不参与受精过程及个体发育。

那么,为什么发生了罗氏易位的“大染色体”(两个长臂融合,染色体体型较大)倾向于进入卵细胞而不是极体?答案在着丝粒上。着丝粒是真核生物细胞中连接纺锤丝和染色体的结构。研究发现,罗氏易位后形成的染色体往往DNA含量更高,附着了更多的着丝粒蛋白,因此“大染色体”更容易分配到卵细胞中而不是极体中。

动物学家Michael J. D. White在50多年前曾提出,罗氏易位善于搭减数分裂的“便车”而传下去。他认为,“少数染色体重排——例如罗氏易位——能够在物种形成中发挥作用,在雌性的减数分裂过程中产生特定的优势,进而通过这些机制形成生殖隔离”。马德拉鼠染色体变异的机制证明了他的理论。

植物中是否也有类似的现象?实际上,在马德拉鼠之前,科学家就发现玉米和黄色猴面花等植物中具有大染色体的表型。

1942年,遗传学家Marcus Rhoades发现,玉米的10号染色体有一个普遍发生的变异——Ab10,也是由罗氏易位形成的。具有Ab10突变染色体的玉米棒以黑粒玉米为主,间杂少量黄粒,而黑粒玉米棒出现的概率远远高出随机发生的比例。对此,Rhoades提出的解释是:带Ab10的染色体更容易进入到发育成卵细胞(而非极体)的位置,因此易位的后代个体数更多,其后代比例不符合孟德尔定律。

频繁的变异:为自然选择提供素材。通过上述案例,大家知道着丝粒在减数分裂中扮演的角色十分重要,没有它,减数分裂、有丝分裂都无法进行。那么,从常理出发,着丝粒的基因序列和蛋白在演化上应该非常保守(不轻易发生改变)才对,但事实是,真核生物的着丝粒蛋白、以及基因都不保守,变异非常快。为什么会发生这种悖论?2001年有科学家解释说,是因为着丝粒参与了减数分裂驱动。

根据这一解释,着丝粒的基因序列——如玉米的Ab10——想“绑架”了行使染色体分离功能的“机器”,使这个“机器”不断产生染色体变异,例如产生染色体非整数倍的卵细胞。

在鼠中,减数分裂驱动现象同样存在。科学家发现,具有GTP酶活性的Ran和Cdc42的表达产物(蛋白质)参与了减数分裂驱动,影响到纺锤体的定位和极性建立。

通过把“大着丝粒”表型与“小着丝粒”表型的鼠杂交,科学家发现,含“大着丝粒”鼠的染色体更容易进入卵细胞而不是极体。演化从未终止,筛选无处不在。对于机体演化适应性,减数分裂驱动或“自私染色体”有什么意义呢?至少有一点是明确的:通过调控着丝粒与纺锤体微管相互作用,同源染色体会出现功能上的差异,为自然选择提供源源不断的素材。

唯有如此,当自然环境或人工环境变动不居时,总有一部分携带某些变异的生物可以适应,逐渐造就更多的品系乃至物种。要知道,数百万年前的一次罗氏易位使得人的祖先与猿的祖先分离,类人猿才逐步演化成当今的人类。

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