人猿尾巴消失的秘密 : 關鍵基因的基因插入

靈長類動物的演化過程中，約兩千五百萬年前靈長類動物出現重要的一次分衍發展，類人猿譜系（hominoid lineage）從舊世界猴（Old World monkeys）分衍出來（圖一 a），成為獨立的演化支系。最早的靈長類擁有強而有力的尾巴，幫助它們在樹上更容易抓取食物，並維持身體移動的穩定性。而類人猿從過去棲息在樹上轉往地面上生活，開始直立行走並運用雙足運動，尾巴的功能性便大大的降低。演化至今，大多數猴子及靈長類仍保有靈活的尾巴，但是有相同祖先的「類人猿譜系」乃至於現今的人類，他們的尾巴是什麼原因消失的呢?

所有靈長類的遺傳訊息中都可以觀察到皆有編碼 TBXT 這個基因，TBXT 基因表達的蛋白 — Brachyury，屬於一種轉錄因子，其對於尾巴的發育扮演重要角色 [1]，近代科學家認為人類之所以沒有尾巴是因為 TBXT 基因出現突變 [2]，但仍對於尾巴消失的遺傳機制了解甚少。本篇文獻研究團隊發現因為跳躍基因 AluY 插入 TBXT 基因中，而影響類人猿不再出現尾巴的特徵。

研究團隊將具有尾巴的猴與類人猿的基因進行比較，發現所有靈長類在 TBXT 基因的第六個外顯子（exon 6）之前皆有出現一個 Alu 跳躍基因  — AluSx1。有趣的是，無尾的類人猿在 TBXT 基因的 exon 6 之後中插入類人猿特有的Alu 跳躍基因 — AluY（圖一 b）。Alu 基因是在靈長類的遺傳訊息中非常典型的跳躍基因（transposable elements），其大量且重複的出現在遺傳訊息中，跳躍基因會透過自我複製的方式跳躍到其他位置，雖然 Alu 基因是內含子（intron），本身不會轉譯成蛋白，且通常不影響外顯子（exon）的表達，但可能會影響基因序列改變或重組。

本篇作者發現無尾的類人猿的 TBXT 基因中插入 AluY，引發了該區域選擇性剪接（alternative splicing）的發生，AluY 及 AluSx1 被發現在 exon 6 的兩側附近，互補的 AluY 及 AluSx1 會把 exon 6 包裹起來並黏合形成一個環狀結構，使尚未成熟的 pre-mRNA 在經歷選擇性剪接的過程剃除 exon 6 的基因序列。而出現有別於猴子的 TBXT 異構體（TBXT isoform） — TBXT△exon6（圖一 c）。

研究團隊利用分子生物學的證據來解釋人類尾巴演化上消失的秘密，作者選用了人類胚胎幹細胞（Human ES cell line）來模擬人類胚胎在早期發育。利用 CRISPR/Cas9 基因編輯的技術，將原本存在於 TBXT 中的 AluY 及 AluSx1兩個基因 分別切除（圖二 a）。TBXT△AluY/△AluY（將 AluY 切除的組別）最終讓 mRNA 在 exon 6 的位置不發生選擇性剪接而維持完整的長度（TBXT full-length），而少部分出現 TBXT 的片段剔除了 exon6 和 exon7 的部分，這解釋了當沒有 AluY 基因存在的情況下 AluSx1 會與在遙遠的互補基因 AluSq2（位於 exon8 附近） 黏合，一併將 exon6 及 exon7 切除。而 TBXT△AluSx1/△AluSx1（將 AluSx1 切除的組別）讓最終成熟的 mRNA 維持完整的長度（圖二 b）。作者推測，AluSx1 會傾向與距離較近且親和力較強的 AluY 黏合達到剔除 exon 6，而較不傾向與 AluSq2 黏合（圖二 c）。另外，結果證實 AluY 雖然是內含子，但是決定了該區域選擇性剪接的重要因素，也凸顯 AluY 在胚胎發育的基因調控之重要性。

除此之外，研究團隊建立了 exon 6 剔除的異型合子（TBXT）小鼠實驗（圖三 a），進一步驗證在 TBXT△exon6 基因型所生長的小鼠出現短尾或無尾的表現型（圖三 e）。移除 exon6 後，確實讓小鼠尾巴的表現型出現改變。值得注意的是，研究團隊嘗試將小鼠兩條同源染色體同時移除 exon6 時，會產生一個致命的因素，使小鼠在胚胎的早期發育時期就即停止生長或出生後死亡，而部分小鼠死亡原因為神經管閉合缺陷（neural-tube-closure defects），類似於人類先天的罕見疾病脊柱裂（spina bifida）。這個結果與先前的文獻結果一致，在 TBXT 基因出現突變而造成神經管缺陷或骶骨發育不全等 [3,4]。

在先前的文獻表明 TBXT 中的 exon 6 編碼的蛋白序列，包含一部份轉錄因子結合的區域，而 exon 6 的剃除可能會改變原本轉錄因子調控的功能，作者也藉由轉錄體分析（transcriptomics analysis）證實，體外的人類胚胎幹細胞是否保有 exon 6，會影響轉錄的模式，其中的差異可能就是影響尾巴發育的重要調控因素。

 

這篇研究說明了人類尾巴消失的原因是，因為跳躍基因 AluY 插入到 TBXT 基因，使exon 6在選擇性剪接時被切除，最終導致人類尾巴消失（圖四）。此外，這項研究也證實跳躍基因 AluY 不僅促進了選擇性剪接的發生，也穩固了人類「無尾」的基因型。但是作者認為，在類人猿的演化過程中，仍有其他的基因參與了尾巴發育的調控，所以單單改變人類的 AluY 基因，試圖讓人類重新長出尾巴，其可能性不高。是否有更多基因參與尾巴發育的調控，是未來能探討的問題。值得注意的是，在人類演化歷史中，對於雙腳站立的人類來說，少了尾巴後更適合在生活在地面，也減去了不少的不便。但 AluY 插入 TBXT 基因的現象，可能會影響人類健康，增加了人類罹患神經管缺陷疾病的風險。

 

Main Article:
Xia, B., Zhang, W., Zhao, G., Zhang, X., Bai, J., Brosh, R., Wudzinska, A., Huang, E., Ashe, H., Ellis, G., Pour, M., Zhao, Y., Coelho, C., Zhu, Y., Miller, A., Dasen, J. S., Maurano, M. T., Kim, S. Y., Boeke, J. D., & Yanai, I. (2024). On the genetic basis of tail-loss evolution in humans and apes. Nature, 626(8001), 1042–1048. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07095-8 

參考文獻：

1. Schifferl, D., Scholze-Wittler, M., Wittler, L., Veenvliet, J. V., Koch, F., & Herrmann, B. G. (2021). A 37 kb region upstream of brachyury comprising a notochord enhancer is essential for notochord and tail development. Development (Cambridge, England), 148(23), dev200059. https://doi.org/10.1242/dev.200059 
2. Su, H., Zhi, D., Song, Y., Yang, Y., Wang, D., Li, X., & Cao, G. (2024). Exploring the formation mechanism of short-tailed phenotypes in animals using mutant mice with the TBXT gene c.G334T developed by CRISPR/Cas9. Gene, 910, 148310. https://doi.org/10.1016/j.gene.2024.148310 
3. Chen, S., Lei, Y., Yang, Y., Liu, C., Kuang, L., Jin, L., Finnell, R. H., Yang, X., & Wang, H. (2024). A mutation in TBXT causes congenital vertebral malformations in humans and mice. Journal of genetics and genomics = Yi chuan xue bao, 51(4), 433–442. https://doi.org/10.1016/j.jgg.2023.09.009 
4. Kavka, A. I., & Green, J. B. (1997). Tales of tails: Brachyury and the T-box genes. Biochimica et biophysica acta, 1333(2), F73–F84. https://doi.org/10.1016/s0304-419x(97)00016-4 

撰文｜黃宜蓁
審稿｜林書岑