同源異形基因

同源異形基因 (Hox gene)
國立臺灣大學生態學與演化生物學碩士 林明慶

19 世紀的自然學家小聖提雷爾 (Étienne Geoffroy Saint-Hilaire) 發現了同源器官，顯示生物體構造上具有某些統一性。他認為如果生物個體是由重複的單位堆疊而成的（例如蛇的脊椎與肋骨），重複的部位重複多次，就容易產生變異。

19 世紀末，有位名叫 William Bateson 的英國生物學家在生物身上發現類似上述敘述的變異情形，包括在該長觸角的地方多長了一隻腳的昆蟲，或是在口器部位長出觸角的果蠅，甚至在人類身上發現頸部多長了肋骨的例子。他詳細記錄了這些變異的部位，發現這些變異的地方都長出了完整的其他部位。爾後哥倫比亞大學果蠅實驗室的 Bridges 認為這一個個變異都可以視為一個完整的變異單位。

直到 1980 年代生物學家才找到導致這些體節變異的基因：Hox基因（同源異形基因）。Hox 基因是一系列「基因群」的代稱，負責調控體節和附肢的發育。在這些 Hox 基因的開頭皆有一段相似性極高的保守序列，此段序列稱為 Homeobox，其長度約為 180 個核苷酸，會在轉錄出的蛋白質上形成一個由 60 個氨基酸組成的構型區，這個區域稱為 homeodomain，以讀取並調控下游一連串的生長發育相關基因。

Hox 基因屬於總開關基因 (master control gene) 的一種。總開關基因可以控制一系列器官組織發育的連鎖機制，例如控制眼睛發育的 PAX-6 基因。總開關基因在跨物種之間的序列排列有時也相當類似，像是將小鼠控管眼睛的 PAX-6 基因轉殖到果蠅基因裡，那麼果蠅甚至會在特殊部位多長出一對複眼來。

而 Hox 基因產生的蛋白質則是調控體節和身體其他體制的形成，例如：果蠅中名為 lab 的基因負責控制唇的發育，Antp基 因則是影響觸足的發育。這些基因在染色體上的排列，恰巧與被影響的體節在身體上的頭尾順序一致（圖一）。同時，身體重複的部位會出現相同的 Hox 蛋白質，像是蜈蚣的體節；而在相似的體節構造中所出現的 Hox 蛋白往往也都相近（好比蝦子的步足與泳足）。這些看似不同的部位，其實調控的基因序列相似性都很高，所以反過來說：一個小地方突變很可能會導致非常不同的突變結果（就如前文提及觸角多長了一隻腳的昆蟲），甚至可以由外鰓轉化成類似翅膀的構造。

圖一 調控果蠅體節發育的同源異形基因。（來源：維基百科https://zh.wikipedia.org/wiki/同源異形基因）

如果拿樂高模型來比喻的話，就是用同樣的方塊疊成一疊拼成一個動物的身體，但是有的地方要接上手腳，所以在該部位就拿了一個長得相當類似，但是兩側有突起的方塊代替，看上去是一系列同樣的方塊，但是每個小方塊可以為了功能做出不同的微調，也可以因不同的排列組合構成不同體制，例如在中間加上方塊就可以把身體延長。

由 homeobox 序列的保守性與體節之間的相似性可知，這些基因很可能都來自同一個複本，只要略做一些修改，就可以產生出類似但功能形態上卻又有別的部位，其實仔細觀察龍蝦的大螯、步足還有泳足，在基本結構上還是有著高度的相似性。而且不只在同一物種，在不同物種間 Hox 基因也有產生複本的情形，像是在果蠅裡只有一串群組，在老鼠等哺乳動物中則有四串相似的群組，分別位於不同的染色體上。

Hox 基因可在動物界中許多類別找到，包括節肢動物門、環節動物門和脊索動物門等（甚至在菌類和植物界也可找到 Hox 基因！），因此追本溯源起來，代表這些動物開始大量分化前，它們的共祖就已經擁有了 Hox 基因，經過長時間下來的突變、複製等等，分別產生了很多基本型的變異和堆疊，使生物產生了不同的外貌。也因為產生了如此多樣化的體制，才能夠因應不同的環境，使生物得以繁衍。科學家們相信，寒武紀大爆發之所以能快速產生如此多體制不同的物種，便是因為 Hox 基因快速的變化所造成的。

參考文獻

1. Zimmer, C. (2001)。演化：一個觀念的勝利。臺北市：時報文化出版公司。
2. Carroll, S. B. (2005)。蝴蝶、斑馬與胚胎：探索演化發生學之美。臺北市：商周出版。
3. 同源異形基因。維基百科。https://zh.wikipedia.org/wiki/同源異形基因