基因「膨風」的蠑螈-科學人雜誌
生物學

基因「膨風」的蠑螈

2022-06-01 福克斯(Douglas Fox)
某些蠑螈擁有陸生動物數一數二大的基因組,身體構造卻充滿缺陷,牠們需求極低、懶散度日,走出一條另類的演化之路。

重點提要

  1. 約巴掌大、四肢短小的蠑螈,卻擁有陸生動物中龐大的基因組,當中充斥大量複製失控而來的垃圾DNA。
  2. 龐大基因組拖遲了細胞特化的進度,從身軀以至心臟、大腦等器官皆發育不全,蠑螈終生宛如幼體生活。
  3. 儘管身體缺陷重重,數種蠑螈仍以極其簡約、緩慢的生存策略,成功留在演化舞台上逾兩億年之久。
▲ 慢活有道:紐斯河泥螈在陸地上相當笨拙,泡在水中靠著碰巧游過的昆蟲維生。(攝影:Andrew Hetherington)

紐斯河泥螈(Necturus lewisi)終日無精打采,彷彿身負無形累贅。這種帶有斑點的棕色蠑螈身長接近人類手掌,棲息於美國北卡羅來納州的河流,藏身在岩石或原木下的洞穴,很少遠離巢穴,通常一動也不動地坐在河床上「狩獵」:等待昆蟲游過,便反射性地俯身向前把蟲吞了。牠終生在水中度過,是一直沒變態完全的巨型幼體,四肢短小虛弱,不足以支撐身體,腳趾沒長完整,缺乏上顎骨,頸部可見凸出的幼體鰓。

觀察這類動物的體內,會看見另一個怪異之處:蠑螈的細胞比蜥蜴、鳥類或哺乳動物的大300倍,用最簡單的放大鏡就看得到在牠們透明的鰓中,一個個血球細胞在微血管中流動。

包括紐斯河泥螈在內的蠑螈長久以來是費解之謎,如今科學家才開始有些見解。這類動物身上的各種奇特性狀源於看不見的累贅:牠細胞的DNA量是人類細胞的38倍。地球上擁有最大基因組(genome)的四足動物就是紐斯河泥螈,唯一能與之相比的是肺魚,同樣也走懶散路線。

大多數哺乳動物、鳥類、爬行動物和魚類的基因組規模相去不遠,都介於5億~60億個鹼基對,這些鹼基對排列成一條長鏈,形成「基因」,也就是形成動物基因組的基本單位。

但各種蠑螈的基因組差異極大,範圍大致落在100億~1200億個鹼基對,也就是10~120Gbp(giga-basepair,1Gbp為10億鹼基對)。蠑螈的基因並不比其他動物多,只是牠們的基因組中到處塞滿了複製失控而來的DNA片段,亦即所謂寄生的DNA片段(parasitic DNA)。這些龐大的基因組迫使蠑螈走上慢活之路,支配牠們生命中的一切。

蠑螈將就著發育不全的身體、簡單的腦、薄如紙袋的心臟,拖拖拉拉地活著,有時可活上100年。蠑螈承擔這種累贅的回報,是至少獲得一種驚人能力:再生。蠑螈不僅可重新長出四肢,一旦切除大腦,最多還能重新長回1/4顆腦,就生存而言還挺方便的。

蠑螈那有悖常理的DNA造就了牠們的怪異性狀。DNA常被稱為生命的藍圖,當中包含的精確訊息,決定每個物種體內細胞的結構與功能。但是關於蠑螈的最新發現,顛覆了基因組總是細緻精準的概念。新研究揭示,DNA也透過與遺傳訊息內容無關的方式來形塑個體。DNA能扭曲身體及器官,效果有如哈哈鏡;每個物種能承擔的DNA有一定的量,超出後就會產生一些副作用。事實上,人類承擔的基因組可能已經接近極限,若再增大,就可能損害人類的最大資產:智力。

至於蠑螈,不免令人好奇,為什麼巨大基因組的累贅沒把牠們拖向滅絕。蠑螈在演化舞台上佔一席之地,顯示我們人類對演化的觀念,尤其是「適者生存」,具有嚴重的道德偏見:年輕人要努力工作、鍛練身體及大腦以獲取好的表現,而努力終會有回報。但蠑螈的遊手好閒反而是成功之道,牠們找到了鑽漏洞的辦法。

基因組塞滿寄生DNA?

巨大基因組之謎始於幾十年前的一個關鍵時刻,生物學家剛確認DNA是生命的遺傳分子,每個物種的基因組包含成千上萬由DNA組成的基因,指導細胞製造蛋白質及其他分子,令生物長得如其所是。

研究人員最初假設具有複雜身體的高等物種,例如靈長類動物及人類,擁有的基因較多,因此基因組也更龐大。但美國洛克斐勒醫學研究所的米爾斯基(Alfred Mirsky)與里斯(Hans Ris)在1951年推翻了這個論點,他們測量了數十種動物個別細胞中的DNA量,令人驚訝的是,非洲肺魚(African lungfish)及一種來自美國東南部的大型蠑螈兩生鯢(amphiuma),牠們每個細胞的DNA比人類、老鼠、鳥類或爬行動物的多了數十倍。科學家測量更多物種後,明確證明蠑螈與肺魚的基因組的確格外地大。

接下來的20年,研究人員更深入了解巨大基因組。英國萊斯特大學的水野重樹(Shigeki Mizuno)與麥葛瑞格(Herbert MacGregor)研究了一些稱為無肺螈(plethodontid)的北美蠑螈物種,這些蠑螈的外觀相似,但牠們的基因組有18~55Gbp不等,大約是人類基因組(3.06Gbp)的6~18倍……


# 關鍵字:生物學蠑螈DNA基因
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