好快的染色體變異！島上小鼠千年分化為六種_風聞

演化從未終止，篩選無處不在。

撰文 | 玉寶

圖1：馬德拉鼠。圖源：Sofia Gabriel

迅速變異：千年形成六個新物種

在葡萄牙的馬德拉島，生活着六種長相相似的小鼠，可稱之為馬德拉鼠。它們雖然看起來非常相像，但卻存在生殖隔離，也就是無法在自然條件下相互交配，或交配後無法產生可育的後代，這符合生物學上劃分新物種的標準，因此這六種小鼠屬於不同的物種。

科學家研究發現，這六種小鼠是在過去的一千年當中分化而成；在一千年前，它們有着共同的祖先。2000年的一篇Nature論文[1]提升了學界對馬德拉鼠的研究熱度，馬德拉島隨後就像太平洋上的加拉帕戈斯羣島一樣，成為研究生物演化的另一個聖地。眾所周知，1835年參加遠洋航行的達爾文就是在見到加拉帕戈斯島上的象龜、達爾文雀等特有物種後，逐步形成了生物演化理論或進化論。

圖2：馬德拉羣島屬於葡萄牙領土，人口約25萬，位於葡萄牙本土西南方向1077千米。島嶼最長處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麼特別之處呢？科學家發現，它們的基因數目差別不大，但染色體的結構和數目會有所差異。這説明，馬德拉小鼠的演化走的不是基因變異的路線，而是通過我們較少聽説的染色體變異（chromosomal variation）來完成的。普通實驗室小鼠（Mus musculus）的染色體數目是20對40條，而馬德拉鼠的染色體數目介於22-40條之間。大部分突變的馬德拉鼠很難產生下一代，要麼在胚胎期死亡，要麼在出生後因各種缺陷而死亡。少數能夠繁育且能適應當地環境的，就會把變異保留下來，也就是我們現在看到的六種馬德拉鼠。

羅氏易位：也曾造就人類

藉助染色體顯帶技術，科學家在實驗室可以輕易發現染色體的各種數目和結構變異。造成馬德拉鼠染色體差異的主要原因是發生了羅賓遜易位（Robertsonian translocation），簡稱羅氏易位。

圖3：馬德拉鼠的羅氏易位分佈。羅氏易位在種羣中非常常見，不過大部分易位不會傳給下一代。[1]

羅氏易位是指某兩條染色體的長臂融合成為一條染色體，並失去短臂。在細胞分裂的中期，有些染色體的着絲粒會位於染色體的一端，其短臂極短，這一類染色體稱為近端着絲粒染色體，羅氏易位往往發生在近端着絲粒類型的染色體之間。例如，人類的二號染色體，就是在數百萬年之前由兩條染色體發生了羅氏易位融合而成的[2]。據統計，羅氏易位在新生兒中的發生率是千分之一[3]，大部分患兒會產生健康問題，如唐氏綜合徵和巴陶氏綜合徵。

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：在鼠羣中以一定概率發生，少部分不影響生殖和健康的易位被保留下來，進而逐步在種羣中擴散，甚至形成新的小鼠類羣。在這個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。可以想見，隨着採樣密度增加或時間推移，大概率還會發現/出現新的小鼠種系。

據推測，島上的小鼠祖先來自一千年前在此停靠的維京海盜船，另一個説法是隨15世紀葡萄牙殖民者的船而來。在現當代，隨着船舶或壓艙水而蔓延到世界各地的動物造成的物種入侵案例，也是數不勝數。

回顧中學生物知識，1個卵母細胞經過兩輪減數分裂，形成了1個卵細胞和3個極體。極體的命運是退化消失，只有卵細胞才會參與受精過程和個體發育。中學教科書寫着，物種染色體突變的特點是無偏好、隨機發生，後代比例符合孟德爾遺傳定律。但馬德拉鼠的染色體分離並不如此：在雌性小鼠減數分裂過程中，羅氏易位大概率會藉助卵細胞傳給下一代，而不是進入極體走向“絕路”。因為極體的命運是退化或死亡，並不參與受精過程及個體發育。

圖5：減數第二次分裂，形成1個卵細胞和3個極體；極體退化死亡。丨來源：網絡

那麼，為什麼發生了羅氏易位的“大染色體”（兩個長臂融合，染色體體型較大）傾向於進入卵細胞而不是極體？

答案在着絲粒上。着絲粒是真核生物細胞中連接紡錘絲和染色體的結構。研究發現，羅氏易位後形成的染色體往往DNA含量更高，附着了更多的着絲粒蛋白，因此“大染色體”更容易分配到卵細胞中而不是極體中。

圖6：染色體示意圖。

①染色體分節 ②中節，將染色體分為二臂。中節包含着絲粒（kinetochore），着絲粒是一種複合蛋白，將將染色體和紡錘絲微管相結合。③短臂 ④長臂丨來源：Wikipedia

自私染色體，善於“搭便車”

動物學家Michael J. D. White在50多年前曾提出，羅氏易位善於搭減數分裂的“便車”而傳下去。他認為，“少數染色體重排——例如羅氏易位——能夠在物種形成中發揮作用，在雌性的減數分裂過程中產生特定的優勢，進而通過這些機制形成生殖隔離”。馬德拉鼠染色體變異的機制證明了他的理論。

植物中是否也有類似的現象？

實際上，在馬德拉鼠之前，科學家就發現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：網絡

1942年，遺傳學家Marcus Rhoades發現[4]，玉米的10號染色體有一個普遍發生的變異——Ab10，也是由羅氏易位形成的。具有Ab10突變染色體的玉米棒以黑粒玉米為主，間雜少量黃粒，而黑粒玉米棒出現的概率遠遠高出隨機發生的比例。對此，Rhoades提出的解釋是：

帶Ab10的染色體更容易進入到發育成卵細胞（而非極體）的位置，因此易位的後代個體數更多，其後代比例不符合孟德爾定律。現在我們知道， Ab10的確在減數分裂過程中更容易進入卵細胞，這和馬德拉鼠的羅氏易位是相似的。

Rhoades的發現是歷史上對“減數分裂驅動”現象的第一例報告。所謂減數分裂驅動，是指機體的染色體在減數分裂時因自私基因干擾, 後代比例偏離了孟德爾遺傳的期望比例。受“自私基因”（selfish gene）概念啓發，人們把玉米的10號染色體稱為“自私染色體”。直到2018年，才有一篇論文解釋清楚了Ab10的發生機制，揭示了參與這一過程的核心蛋白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%，後代比例符合孟德爾遺傳定律。而發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，後代比例不再符合孟德爾遺傳定律。

黃猴面花 (Mimulus guttatus) 的遺傳是減數分裂驅動（Meiotic drive）理論的另一個例證。2008年一篇論文表明[6]，大着絲粒的黃色猴面花個體會產生更多後代，甚至顯性純合後代比例佔實驗羣體總數的50%左右，而按孟德爾遺傳定律這一比例應該是25%才對。參與這一機制的分子有CENP-A和CenH3等。

頻繁的變異：為自然選擇提供素材

通過上述案例，大家知道着絲粒在減數分裂中扮演的角色十分重要，沒有它，減數分裂、有絲分裂都無法進行。那麼，從常理出發，着絲粒的基因序列和蛋白在演化上應該非常保守（不輕易發生改變）才對，但事實是，真核生物的着絲粒蛋白、以及基因都不保守，變異非常快。

為什麼會發生這種悖論？2001年有科學家解釋説[7]，是因為着絲粒參與了減數分裂驅動。根據這一解釋，着絲粒的基因序列——如玉米的Ab10——想“綁架”了行使染色體分離功能的“機器”，使這個“機器”不斷產生染色體變異，例如產生染色體非整數倍的卵細胞。變異的“危害”有大有小、也有中性突變，並非都是致死性的，所以這一過程就一直在快速演化，而沒有從羣體中消失。

在小鼠中，減數分裂驅動現象同樣存在。科學家發現，具有GTP酶活性的Ran和Cdc42的表達產物（蛋白質）參與了減數分裂驅動，影響到紡錘體的定位和極性建立[8]。通過把“大着絲粒”表型與“小着絲粒”表型的小鼠雜交，科學家發現，含“大着絲粒”鼠的染色體更容易進入卵細胞而不是極體。

演化從未終止，篩選無處不在。對於機體演化適應性，減數分裂驅動或“自私染色體”有什麼意義呢？

至少有一點是明確的：通過調控着絲粒與紡錘體微管相互作用，同源染色體會出現功能上的差異，為自然選擇提供源源不斷的素材。唯有如此，當自然環境或人工環境變動不居時，總有一部分攜帶某些變異的生物可以適應，逐漸造就更多的品系乃至物種。

要知道，數百萬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今的人類。

參考文獻

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

[2] Paweł 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.

本文受科普中國·星空計劃項目扶持

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

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