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閒話基因體科學_23.雞與鴉
by 陳怡蓁, 2012-08-21 13:50, Views(674)

雞與鴉

 

臺大醫學院  謝豐舟教授

 

2005年是雞年。趕在雞年來臨前夕,129自然」雜誌以「破殼而出」的小雞為封面,刊登了雞的基因體序列(圖一)

「雞」(Gallus gallus)是生物學上相當重要的模式,因為:

雞是研究遺傳學的理想模式,雞容易養,生得多又快。而且雞有許多外形上的特徵,易於分辦親子關係。

雞有許多自然的變種(natural mutant)。60年來養雞者收集並養育許多具有特殊外形的自然突變種,可供研究「突變」與「性狀」的關聯。

◆雞是研究脊椎動物發育的理想研究模式。雞的胚胎,外形上與哺乳類類似,但卻可直接觀察(因為它不在子宮內,而在蛋殼之中)。事實上,人類肢體發育(limb formation)的知識大部分來自雞胚胎的研究。

◆雞可以做為人類疾病的研究模式。在肌肉萎縮、癲癇及免疫缺損等疾病,已經培養出適當的雞種可以呈現相同的症狀。

◆雞可供研究病毒感染。。最近禽流或及其動物病毒不時波及人類。其實人類與雞有類似的免疫反應。因此雞可供研究感染的機制以及感受性的遺傳學基礎。

且讓我們看看雞的基因體與人類有什麼不同:相較於人類的30億(30Ï109)鹼基估計雞有20,00023,000個基因,其實與人類相差不多雞的基因體中common repeats較少:包括假基因(pseudogenes),基因複製(gene duplication)以及反覆序列(repetitive elements)卻比人類為少,因此雖然雞的基因數目與人類相去不遠,但基因體的大小卻只有人的三分之一

雞的基因體與人類大鼠狗等哺乳類不同雞有2個性染色體(ZWZWfemaleZZmale)以及38個體染色體特別值得一提的,雞的染色體大小相差很大,分成5macrochromosomeGGA1-5),5intermediate chromosomeGGA6-10)以及28microchromosome只有520Mb大小,少見於哺乳類,卻常見於鳥類以及某些魚類及爬蟲類,它們的GC content較高,gene density較高,repetitive sequence較少雞的基因體上共有2.8 million SNP,亦即5 SNP/Kb.這些SNP在雞被人類豢養(domestication)前即已存在

你也許會懷疑人類的基因體序列都已經知道了,雞的基因序列揭曉對醫學有什麼用呢?實際上,雞的基因體序列揭曉十分有助於我們瞭解人類基因體序列的真正意義在人類30億個鹼基中,我們其實不很知道那些序列是要緊的,那些是雜物唯有透過與其他生物基因體的比對,我們才曉得那些序列對生物是重要的,因為,理論上,重要的基因序列在演化過程中是會被留傳下來的(conserved雞的基因體序列就是相當好的比對對象(outgroup),因為它與人類的演化距離,不太近也不大遠小鼠與人類分歧是在7.5百萬年前(million year ago, myr),因此小鼠的基因體序列與人類非常相似,比對不出明顯的差別相對地,雞與人類的分歧是在310 myr,因此比較可以看出那些基因體序列是必要而被保留下來

比對的結果,在人類與雞的基因體序列中,有7千萬個鹼基序列是相同的(conserved),也就是人類的基因體序列中,這7千萬個鹼基序列應該是最重要的這七千萬個鹼基中,當然包含了絕大部分的基因但更重要的卻是那些不是基因的部分(chicken-human aligned, non-coding sequence),因為這部分可能訧蘊藏著調控基因表現的functional element,而瞭解共因功能就得先瞭解調控基因表現的functional elment,這不是單從人類基因體序列就可以看出來的,唯有透過比對雞的基因體序列,我們才能知道那些可能是調控基因的functional elment,並針對這些序列進行實驗,有趣的是,這些functional elment的位置常與基因序列有相當的距離,甚至可以在1Mb之外的基因沙漠(gene desert)之中,若不透過比對,根本無從發現

要瞭解人類,必需透過對其他生物的瞭解,就如雞的基因體序列照亮了(shed light on)人類的基因體序列醫學研究既要研究人類,也就必須從事對其他生物的研究就以現在最熱門的神經科學研究而言,我們也可以從雞同屬禽鳥類的烏鴉探究intelligence的本質

    伊索寓言裡面有一隻聰明的烏鴉。口渴的烏鴉想喝水瓶裡的水,但瓶子裡水不多,水位太低,烏鴉的尖嘴搆不到。水瓶旁邊正好有許多小石頭。烏鴉啣起石頭,一粒一粒地丟到水瓶裡,水瓶裡的水面逐漸升高。終於,烏鴉可以喝到了水(圖二)

  烏鴉真的聰明嗎?有人說,烏鴉跟人猿(Apes)一樣聰明。最近科學家做了一些實驗,來看看烏鴉到底聰明到那裡?衡量生物的智慧,一個很重要的指標就是,看牠有沒有使用工具的能力。猩猩是確實有使用工具的能力,牠們會用樹枝挖出洞中的白蟻幼蟲,大快朵頤。那麼,烏鴉會使用工具嗎?科學家仔細觀察歐洲的克拉多尼亞烏鴉(Caledonean Crow),發現牠們會利用一種特別的樹葉,用鳥嘴啄成長條形,再利用它去挖取小洞中的昆蟲來食用。看來,烏鴉不僅能使用工具,甚至能製造工具(tool-making)。以這個觀點來看,烏鴉真的跟猩猩一樣聰明(圖三)

在另一個實驗中,科學家把烏鴉從一出生就隔離飼養,不讓牠看到別的烏鴉在製造或使用工具,甚至也不讓牠看到人在使用任何工具。當烏鴉成長之後,竟然可以用樹葉啄製長達13公分的條狀工具,然後用它來挖取食物。  這些觀察,顯示烏鴉確實擁有製造和使用工具的能力。這個能力並非透過模仿與學習,而是牠的腦子中天生就有這種能力。確實,在烏鴉群中長大的幼鴉,牠們製造的工具與成鴉製造的比較相似。因此,我們可以推測,烏鴉天生具有製造和使用工具的能力,而後天的學習與模仿,使牠能吸取別「鴉」的經驗。

  演化上,鳥類與靈長類的分歧是在300 myr。烏鴉與猩猩具備了相似的智慧,兩者的腦部構造大大不同。烏鴉的腦子是呈現同心圓的成長,而靈長類則是一層一層地附加上去。但儘管構造不同,卻發展出同樣的功能。這意味著,動物智力的進化可以經由不同的腦部構造,達到殊途同歸的目的。

 

取材文獻

1.      Emery JE et al: The mentality of crows: convergent evolution of intelligence inCorvids and Apes. Science 306:2903, 2004.

Inernational Chicken Genome Consortium: Sequence and comparative analysis of the chicken genome provides unique perspecties on vertebrate evolution. Nature 432:695, 2004.