包括人类在内的哺乳动物为何不是从蛋中孵化出来的?瑞士科学家的一项最新研究,找到了令哺乳动物通过胎生和哺乳方式繁殖后代的遗传变化基础,并且证实了这些改变是在进化史上逐渐发生的。该研究表明,乳蛋白基因出现于所有哺乳动物种类的共同祖先中,而且是在编码卵蛋白的基因消失之前。相关论文发表在《公共科学图书馆 生物学》(PLoS Biology)上。
地球上总共有三种类型的哺乳动物,分别是最普遍的胎盘动物(人类、狗、猪、虎等)、有袋动物(袋鼠和负鼠等)以及单孔目动物(鸭嘴兽以及某些针鼹鼠)。尽管都是哺乳动物,但这三类物种的繁殖策略是很不同的。胎盘动物有很长的孕期,并通过复杂的胎盘结构为胚胎提供营养,哺乳期相对较短;有袋动物尽管胎盘结构与前者相似,但怀孕期要短得多,随之而来的是很长的扩展期——幼仔开始吃组分能够改变的奶水,从而满足其变化着的营养需求;而单孔目动物是远古卵生哺乳动物中的一目,它们通过产带有卵黄的蛋来繁殖后代。尽管单孔目动物的确要用乳汁来喂养幼仔,但这是通过一小块皮肤的分泌完成的,而非典型的乳头。
在最新的研究中,瑞士洛桑大学基因组整合研究中心的Henrik Kaessmann等人对这三种哺乳动物的代表物种进行了遗传学研究,并将得到的结果与典型的卵生动物——鸡进行了对比分析。结果表明,这三类哺乳动物具有相似的遗传区域。这意味着编码酪蛋白(乳汁中的一种蛋白质)的基因在它们2亿至3.1亿年前的共同祖先中就已经存在,早于胎盘的进化。
此外,研究人员还留意了鸡体内三个编码卵黄蛋白原(蛋中的一种蛋白质)的基因,结果发现,在单孔目动物中,仅存一个这样的功能基因,而在另外两种哺乳动物中,所有的三个都成了“伪基因”——它们的DNA区域仍与功能基因十分相似,但包含的少许差别能有效地关闭该基因。
进一步研究表明,这三个基因向伪基因的转变是先后发生的,最晚的一个在距现在大约3000万至7000万年前丧失了功能性。
新的研究结论表明,哺乳动物在停止产卵之前就已经可以产奶。实际情况很可能是,随着哺乳能力的出现,物种对卵黄和卵生方式作为后代营养来源的依赖性降低,最终,对胎盘的“认同”让哺乳动物中的绝大多数抛弃了卵生方式。即便是与产卵相关的基因发生变异,成为伪基因,也再不会影响到这些动物的健康和适应性。(科学网 任霄鹏/编译)
生物谷推荐原始出处:
(PLoS Biology),doi:10.1371/journal.pbio.0060063,David Brawand, Henrik Kaessmann
Loss of Egg Yolk Genes in Mammals and the Origin of Lactation and Placentation
David Brawand1, Walter Wahli1,2¶*, Henrik Kaessmann1¶*
1 Center for Integrative Genomics, University of Lausanne, Lausanne, Switzerland, 2 National Research Center Frontiers in Genetics, University of Lausanne, Lausanne, Switzerland
Embryonic development in nonmammalian vertebrates depends entirely on nutritional reserves that are predominantly derived from vitellogenin proteins and stored in egg yolk. Mammals have evolved new resources, such as lactation and placentation, to nourish their developing and early offspring. However, the evolutionary timing and molecular events associated with this major phenotypic transition are not known. By means of sensitive comparative genomics analyses and evolutionary simulations, we here show that the three ancestral vitellogenin-encoding genes were progressively lost during mammalian evolution (until around 30–70 million years ago, Mya) in all but the egg-laying monotremes, which have retained a functional vitellogenin gene. Our analyses also provide evidence that the major milk resource genes, caseins, which have similar functional properties as vitellogenins, appeared in the common mammalian ancestor 200–310 Mya. Together, our data are compatible with the hypothesis that the emergence of lactation in the common mammalian ancestor and the development of placentation in eutherian and marsupial mammals allowed for the gradual loss of yolk-dependent nourishment during mammalian evolution.