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偵探故事般的關鍵兇手:自私基因

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必需的基因

基因,是基本的遺傳單位,生物要靠著很多基因共同表現,才能正常運作,然而同一種生物的不同基因,彼此間影響力卻不相等。生物沒有一些基因仍無關緊要;但假如缺乏某些基因卻會導致無法生存,這類為數不少、不算罕見的基因就被稱為「必需基因(essential gene)」

自私的基因

還有一種狀況比較特殊,叫作「自私基因(selfish gene)」(或自私的遺傳物質,selfish genetic element),許多人或許是由 40 多年前理查.道金斯的科普名作《自私的基因》知悉此一名詞。

比起 40 年前,今日學界對於自私基因認識更多。自私基因廣義的定義是,它本身不影響個體生存、繁衍的利益,若存在此一基因,卻會增加它被傳遞到後代的機率。最極端的狀況下,只有配備自私基因的個體才能生存,並繼續繁衍後代,若是後代沒有這個基因就不能存活;自私基因如此能確保自己不會被淘汰,生生不息、繁榮昌盛。

科學家已經在多種生物中,觀察到自私基因存在。比方說,一些果蠅品系後代的兩性比例嚴重失衡,雌性多過雄性,甚至極端到只有女生,沒有男生(乍看之下果蠅的性別比例好像無關緊要,不過想想看,假如是人類社會的女男失衡呢?)。常用於研究的模式生物之一:秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans,也已知有個自私基因 peel-1,以及與之對抗的 zeel-1。最近科學家報告,線蟲其實還有另一個自私基因,而且又與「必需基因」有關?[1][2]

看似必需,實則自私的基因

秀麗隱桿線蟲有許多品系,實驗室常用的是 N22,與其他同類交配、生寶寶都沒有問題。然而用 N22 與夏威夷採集到的品系 DL238 進行情慾交流實驗時,後代無法正常長大的機率卻會大增。

進一步定序基因組後發現,成功長大的後裔,第三號染色體上頭有一段,所有個體都是源自 N22,沒有人來自 DL238。由於子代會隨機獲得親代的 DNA 片段,所以這現象表示,所有那段序列繼承到 DL238 親代的個體,通通死掉了。

毛利小五郎。來源:Wiki

毛利小五郎。來源:Wiki

該序列中有一個已知的必需基因 pha-1,之前研究認為,它和咽部(pharynx)發育有關;令人驚訝的是,來自夏威夷的線蟲 DL238 竟然沒有這個基因。看來真相很清楚了,混血的線蟲之所以死亡,兇手就是因為他們沒有必需基因!(毛利小五郎調)

可是不對啊,必需基因的意思是,沒有它就會死掉,但是 DL238 同樣也是秀麗隱桿線蟲,然而他們即使沒有 pha-1,依然活得好好的?可見,真相顯然沒有這麼簡單。(柯南調)

自私組合:毒藥與解毒劑

已經知道儘管缺乏 pha-1 會致死,卻能透過抑制 3 個基因來克服:sup-35sup-36sup-37。經比對 DNA 序列後發現,DL238 線蟲的 sup-36sup-37 兩個基因並無變化,sup-35 基因卻跟 pha-1 一樣也不存在,所以缺乏必需基因 pha-1 仍然能活的理由,似乎是因為沒有 sup-35。可是,為什麼?

深入調查後,事情出乎意料,導致線蟲死亡真正的兇手,竟然是 sup-35!當胚胎發育時,胚胎中會有繼承自母體的 RNA,轉譯出蛋白質執行工作。而小線蟲源自母體的 sup-35 基因產物卻會搞破壞,讓線蟲無法長大。好在一般線蟲擁有 pha-1 能夠解決,而混血後裔的死因,是因為他們只繼承到有毒的 sup-35,卻沒有 pha-1 救援。

案情急轉直下,本來以為 pha-1 是對線蟲發育不可或缺的必需基因,這下卻發現它其實對發育不重要,實際功能反而是讓帶有自私基因的個體-也就是每一隻線蟲,能順利活下去。sup-35pha-1,形成了一對超級自私的組合。

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彷彿偵探故事的情節:主人大宴賓客,想要謀害其中一人,卻又不想自己受到懷疑,於是主人把毒藥加進主菜,讓每位參加者,包括自己都能吃到,再安排加入解毒劑的甜點,使每位賓客都能沒事,除了沒能吃到甜點的被害者以外。

因為自私,變得必需,這種案例還有多少?

自私基因演化出各種方式,讓自己比其他遺傳物質,有更高機率被世世代代傳承下去,而 sup-35 pha-1 是個特殊的例子。

sup-35 作用如此極端的自私基因,原本命運必定是遭到淘汰,因為遺傳到這款「毒藥」的線蟲必死無疑,根本無法正常長大,遑論散佈到整個族群。然而,有了「解毒劑」pha-1 就不一樣了,只要線蟲同時配備一套毒藥與解毒劑,小線蟲就能健康快樂的長大、生小孩,接著繼續將毒藥與解毒劑世代傳承下去,讓整個族群成為自私基因的載體。

這麼奇特的狀況,是如何產生的?

搜尋各地的秀麗隱桿線蟲後,研究者發現,還有美國加州的 QX1211,以及紐西蘭奧克蘭 ECA36 的 2 個品系,狀況和夏威夷的 DL238 一樣,都沒有 sup-35pha-1。有趣的是,其他種線蟲也都沒有這 2 個基因,意謂這對毒藥與解毒劑,是在秀麗隱桿線蟲與親戚們分家以後,才獨自演化出的特徵。

此一發表於頂尖期刊《Science》的論文,作者最後提出至少 2 點啟示。第一,秀麗隱桿線蟲是模式生物,普遍用於各式研究目的,許多研究者早已習慣用它回答,與解釋千變萬化的問題。然而若是只專注於實驗室的慣用品系,沒有野外採集,不可能取得如此驚喜的重大發現。研究自然族群的變異,仍有很高的學術價值

第二透過改造基因後,觀察胚胎能否繼續順利發育,科學家偵測到數目非常多的必需基因。然而這些基因,是真的有其發育、生理或其他關鍵的功能而必需,亦或只是如 pha-1 般,是由於其解毒劑的效果才顯得不可或缺?這是值得繼續深究的問題。

文  /  寒波

延伸閱讀:雞排的起源?從古 DNA 探索雞的馴化與育種過程

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參考文獻:
1.Ben-David, E., Burga, A., & Kruglyak, L. (2017). A maternal-effect selfish genetic element in Caenorhabditis elegans. Science, eaan0621.
2.Poisons, antidotes, and selfish genes

(作者部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名的粉絲團《同名的粉絲團》,歡迎參觀、拍打、與餵食)

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