唐尼·奥斯蒙德(20世纪70年代著名歌手)就是这样。詹姆斯·邦德的对手诺博士也是,他在一次谋杀中侥幸躲过一劫,暗杀者刺中他的左胸,恰好避开了心脏。
正常也好,逆位也罢,人的身体内部总是不对称的。这不由得让人发问:这种不对称是由什么造成的?人的生命起源于一个小小的受精卵,它不断地分裂,最终形成形形色色的人体。究竟是在哪一阶段“左”和“右”开始变得不同?
标准答案是,至少对于脊椎动物的胚胎来说,胚胎周围搏动的毛发——也就是纤毛,在向左推动周围的液体。这就会让液体中的分子集中到胚胎的一侧,包括那些引导胚胎下一步分化的分子,例如Nodal蛋白。因此,胚胎的发育是不对称的。这就是为什么基因异常的个体会有反向搏动的纤毛,从而有一半的概率获得一个右侧生长的心脏。
但是这个答案并不能解释全部现象。因为当纤毛搏动开始时,胚胎就已经是不对称的了。对称结构被打破一定发生在一个更早的阶段。
为了找到问题的答案,诺丁汉大学的安格斯·戴维森开始研究椎实螺——最明显的不对称动物之一。椎实螺外壳螺旋方向有右旋(顺时针)和左旋(逆时针)两种,这一明显的性状差异是内部微妙差异的外部反映。
椎实螺——最明显的不对称动物之一
2010年,黑田玲子证明椎实螺的不对称发育始于它们生命的早期。就像人类一样,椎实螺也是由一个受精卵发育而来,受精卵分裂成为两个细胞,这两个细胞再分裂成四个细胞,这时所有的细胞都是完全相同的。但是在下一阶段,分裂是不均等的——在四个大细胞的顶部“捏出”四个稍小一些的细胞。想象一下四个乒乓球放在四个网球上。接着,乒乓球大小的细胞开始贴紧网球大小细胞的沟旋转。如果他们顺时针旋转,那么这个椎实螺将是右旋。黑田玲子用玻璃棒小心翼翼地逆时针推动细胞后,她制造出了左旋椎实螺。
但是,是什么在一开始推动这些小细胞旋转的呢?早在20世纪20年代,诺贝尔得主美国生物学家托马斯·亨特·摩尔根就提出手性是椎实螺的遗传性状。个体从他们的母本中继承决定他们旋向的基因,且右旋(顺时针)为显性。但是,手性是哪个基因决定的呢?
戴维森和爱丁堡大学的遗传学家马克·布拉克斯特共同发现了这一基因。经过数年的研究,他们终于锁定了一个叫做Ldia2的基因。该基因控制Formin蛋白的合成。令他们惊讶的是,团队发现当椎实螺胚胎仅含有两个细胞时,它就已经是不对称的了——其中一个含有更多的Formin蛋白。到四细胞阶段时,Formin蛋白基本上仅集中在一个细胞中。
Formin蛋白会影响细胞骨架形成。细胞骨架是一种由长长的丝状蛋白质组成的网状结构。戴维森和布拉克斯特认为Formin蛋白对细胞骨架的影响是不对称的,它使细胞的形状发生扭曲引发早期的旋转。
放大200倍的椎实螺细胞
该团队通过实验证明了上述观点。他们用一种可以阻止Formin蛋白作用于细胞骨架的化学物质培养椎实螺胚胎。通过这一方法,他们将基因上本应是右旋的椎实螺培养为左旋螺。并且,他们发现左旋螺中的Ldia2由于缺少一个DNA,表达后产生一种残缺的、功能不全的Formin蛋白。细胞会分解这种有缺陷的蛋白质,所以没有旋转发生,椎实螺会发育为左旋。
“但是我们尚未了解全部。”布拉克斯特强调。他们发现了基因,知道了它在左旋螺右旋螺中的区别,但是他们还需要确定它的工作机理。“这还需要在细胞生物学领域再严谨地研究四年。”
这一研究成果并不仅仅与椎实螺有关。在和塔夫斯大学的麦克·列文合作研究时,该团队将蛙的胚胎暴露在Formin蛋白阻断化学物质中,发现许多胚胎发育成器官位置与正常个体成镜像关系的个体。椎实螺和蛙在进化史上相距九亿年,如果相同的影响因子——Formin蛋白均可影响他们不对称性的形成,那么很大可能它在人类和其他哺乳动物中也扮演着相同的角色。
这一研究也与一个长久以来与不对称相关的观点有关。这一观点包括科学界的麦高芬(MacGuffin,电影术语,指推动剧情发展的事物)之一——F-因子。“它是说存在一个内在的不对称因子,这种不对称会放大为器官层面的不对称,”布拉克斯特解释说。“它是一个发明。如果它存在就太好了。人们已经寻找它好多年了。”也许Formin蛋白就是F-因子呢?布拉克斯特不认为事情会这样简单。“我们只是确定了一个庞大系统中的一个零件,”他说。“我不认为F-因子是一个单一的事物,它更像是一个系统。”
“对称在细胞阶段(两细胞阶段)就被打破了,远早于我们可以在胚胎中观察到组织不对称。这一发现真是太有趣了”,圣安德鲁斯大学的西尔维娅·帕拉基尼说。她渴望知道在其他物种的发育中是否相同,以及这些早期的不对称如何影响之后的发育。例如,Formin蛋白可能影响器官的分布,但是它会影响人类大脑的不对称或者是左利手、右利手吗?
伦敦大学学院的克里斯·麦克纳斯是科普著作《右手、左手》的作者,他认为这不大可能。椎实螺拥有两个控制Formin蛋白合成的基因,所以允许其中一个突变。而在人类中,这种突变可能是致命的。
尽管如此,麦克纳斯认为戴维森和布拉克斯特的研究会再次振兴有关不对称的研究。“发现节点纤毛之后的一二十年间,这一领域一直进展缓慢”,他说。“很显然,有太多的细节有待人类认识,但是这次至少打开了一个新局面。”
这是为什么?
布拉克斯特说:“每一次我走过海滩拾起海螺,从表面观察我当然知道它们的旋向有手性。可是我一次也没有提出这个问题:这是为什么?”
(青年观察者史诗奇/译)
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