蛇在1亿年前失去了它们的四肢，但科学家们一直未弄清相关的遗传学变化。10月20日在《Cell》发表的一项研究，对这一过程进行了阐述，描述了一段蛇四肢形成相关的DNA片段，在蛇当中是突变的。当研究人员把蛇的这段DNA插入到小鼠体内时，小鼠发育出了截短的四肢，这表明在蛇的进化过程中，一段关键的DNA片段，失去了其支持肢体生长的能力。相关阅读：Science新刊：解开蛇的长期进化谜题。

本文资深作者、劳伦斯伯克利国家实验室的遗传学家Axel Visel指出：“实际上，这是人类以及所有其他有腿脊椎动物形成肢体所需的DNA指令的许多组成部分当中的一个。在蛇当中，它出了问题。它可能是发生在蛇身上的几个进化步骤中的一个，不同于大多数的哺乳动物和爬行动物，蛇不能形成四肢。”

今天的蛇都经历了脊椎动物进化中一个最戏剧性的体型变化。为了研究这种适应性的分子根源，Visel和他的同事们着手研究已发布的蛇基因组，包括基础的蛇，如蟒蛇和巨蟒的基因组，它们有残腿——小腿骨埋在它们的肌肉中；和高级的蛇，如蛇和眼镜蛇，它已经失去了所有的肢体结构。在这些基因组中，他们专门集中在一个叫Sonic hedgehog（Shh）的基因，该基因参与多种发育过程——包括肢体的形成。研究人员深入分析了Shh基因的一个调控因子，称为ZRS的一段DNA序列，该基因存在于蛇当中但发生了变异。

为了确定这些基因突变的后果，研究人员利用基因组编辑方法CRISPR，将来自其他各种脊椎动物的ZRS插入小鼠体内，替代小鼠的调节因子。当插入来自其他哺乳动物（如人类）的ZRS时，小鼠四肢发育正常。甚至当他们插入来自鱼的ZRS时——它们的鳍的结构与四肢很不相同，小鼠也发育出了正常四肢。然而，当研究人员用Python或眼镜蛇的ZRS替代小鼠的ZRS时，小鼠发育出了严重截断的前肢和后肢。

Visel说：“使用这些新的基因组工具，我们就可以开始探索同一增强子的不同进化版本，是如何影响肢体发育的，并看看到底发生了什么。我们过去主要是盯着序列和推测分子进化，但现在，我们可以把这些研究上升到一个更高层次。”

为了确定在蛇进化过程中负责其失活的ZRS突变，研究人员仔细观察了单个序列变化的进化史。通过比较蛇和其他脊椎动物的基因组，他们发现了一个特别可疑的17碱基对的缺失，它只发生在蛇当中；这段缺失删除了一段ZRS，其对于调节有脚动物的Shh基因发挥关键作用。

研究小组调节了进化钟，在一个人造的蟒蛇ZRS的混合版本中，恢复了缺失的17个碱基对，并在小鼠中检测了编辑的DNA。那些在基因组中携带这种进化“复活”ZRS的小鼠——取代了它们正常的调节因子，发育出了正常的腿。然而，Visel警告说，进化事件可能比仅仅一个缺失更为复杂：“有可能一些冗余存在于小鼠ZRS中。蛇ZRS的其他几个突变，可能也对于其进化过程中呼吸功能的丧失，发挥作用。”

当然，蛇不是唯一缺乏四肢的脊椎动物——一些蜥蜴、鳗鱼和其他鱼类以及海洋哺乳动物，也适应了不同程度的肢体减少，并可能经历了一个稍微不同的进化过程。Visel说：“在动物的进化过程中，失去四肢已经独立发生过多次，我们可以安全的假设，这与影响其他基因的突变有关。这是一个复杂的问题，但随着基因组编辑工具的引入，我们终于可以将特定的DNA变化与身体形态的改变联系起来。”（生物通：王英）

Progressive Loss of Function in a Limb Enhancer During Snake Evolution

Abstract  The evolution of body shape is thought to be tightly coupled to changes in regulatory sequences, but specific molecular events associated with major morphological transitions in vertebrates have remained elusive. We identified snake-specific sequence changes within an otherwise highly conserved long-range limb enhancer of Sonic hedgehog (Shh). Transgenic mouse reporter assays revealed that the in vivo activity pattern of the enhancer is conserved across a wide range of vertebrates, including fish, but not in snakes. Genomic substitution of the mouse enhancer with its human or fish ortholog results in normal limb development. In contrast, replacement with snake orthologs caused severe limb reduction. Synthetic restoration of a single transcription factor binding site lost in the snake lineage reinstated full in vivo function to the snake enhancer. Our results demonstrate changes in a regulatory sequence associated with a major body plan transition and highlight the role of enhancers in morphological evolution.

原文链接：http://www.cell.com/cell/pdf/S0092-8674(16)31310-1.pdf