【基因演化】羽毛、毛髮、鱗片的異曲同工之妙

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基板(利用早期發育的基因表現染成深藍色斑)在鼠、蛇、雞和鱷魚(從左至右)的毛髮、鱗片和羽毛的發育前是清晰可見的的(Credit: copyright UNIGE 2016 (Tzika, Di-Poï, Milinkovitch))

■鳥類的羽毛、哺乳動物的毛髮,還有爬行動物的鱗片,都各有千秋,鮮有相同之處。一個發育生物學的研究讓我們發現,原來羽毛、毛髮、鱗片之間在分子層次上的相同處,比我們已知的還多。

撰文|黃貞祥

哺乳動物、鳥類和爬行動物都是羊膜動物(Amniota),分別屬於合弓類動物(哺乳類與似哺乳爬行動物)與蜥形動物(含爬行動物、鳥類)。哺乳動物的毛髮和鳥類的羽毛,在發育過程中,會從一種稱為「基板」(placode)的組織而來,它是被稱為柱狀細胞的特殊細胞,在胚胎中形成的變厚皮膚──「疙瘩」,也就是俗稱的雞皮疙瘩。雞和人都有雞皮疙瘩,可是爬行動物的發育過程中,未曾發現有「基板」這疙瘩狀構造,所以科學家相信,爬行動物的鱗片與哺乳動物的毛髮以及鳥類的羽毛毫無關連。

可是問題來了,鳥類和哺乳動物的親緣關係甚遠,和爬行動物反而相近,現在已有大量證據指出,鳥類是演化自獸腳類恐龍,與鳥類最接近的現生爬行動物是鱷魚。而爬行動物保留較多祖徵,換句話說,又比鳥類更接近祖先的形態特徵。

所以就有了兩種可能性,一為基板是獨立在鳥類和哺乳動物演化出來的,是種趨同演化;二為基板是羊膜動物的共同祖先,也就是爬行動物、哺乳動物和鳥類在三億兩千萬年前的共同祖先就演化出的構造,用作皮膚附屬物的發育,但是在爬行動物隨著時間的推移失去了基板,而鳥類和哺乳動物則保留了下來。

瑞士日內瓦大學的遺傳學家Michel Milinkovitch在寵物市場邂逅了罕見的無鱗澳大利亞松獅蜥,帶回實驗室研究後發現,原來牠們的一個稱作EDA的基因有突變,導致松獅蜥無鱗。在人類中,EDA基因突變可導致少汗型外胚層發育不良(Hypohidrotic ectodermal dysplasia),從而長出異常的牙齒、指甲和汗腺。

他和芬蘭赫爾辛基大學生物學家Nicolas Di-Poi進一步研究了松獅蜥、尼羅河鱷和玉米蛇的胚胎。他們利用掃描電子顯微鏡對這些爬行動物的胚胎進行觀察,結果發現了數以百計的基板,恰好都位於最終生成一個鱗片的地方。過去沒有觀察到基板的出現,是因為爬行動物的基板形成後存在時間很短,加上研究爬行動物發育的人不多,所以錯過了機會在對的時間和對的地點看到基板發育。

他們也發現,攜帶了兩份EDA突變對偶基因的同型合子爬行動物根本沒有發育出基板,從而導致鱗片的缺失,而攜帶了一份EDA突變對偶基因的爬行動物則發育出了較小的鱗片。

他們的下一步是了解毛髮、羽毛和鱗片是如何從同一祖先結構產生了多樣化。這個研究也展現了利用非模式生物進行生物學研究的重要性。

原學術論文:Nicolas Di-Poï and Michel C. Milinkovitch. The anatomical placode in reptile scale morphogenesis indicates shared ancestry among skin appendages in amniotes. Science Advances, June 2016 DOI: 10.1126/sciadv.1600708

參考資料:
1. Université de Genève. "Hairs, feathers and scales have a lot in common." ScienceDaily. ScienceDaily, 24 June 2016.
2. Ben Panko. Human hair, bird feathers came from reptile scales. Jun. 24, 2016. DOI: 10.1126/science.aaf5815
3. NICHOLAS ST. FLEUR. Scales, Feathers and Hair Have a Common Ancestor. 2016 The New York Times. JUNE 24, 2016.

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作者:黃貞祥 現任教於國立清華大學分子與細胞生物研究所暨生命科學系,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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