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哈靈頓馬非馬?已滅絕的美洲馬家新成員上線啦!

寒波_96
・2017/12/13 ・3234字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

馬家演化史

在台灣,騎過馬的人不多,不過大家都知道馬。歷史上馬曾經有過許多種近親,現在大部分卻都滅絕了,依然存在的幾種斑馬與驢中,好幾種也面臨滅團危機。

斑驢,一位已經滅絕的馬家成員。圖/取自 wiki

探索滅絕生物,古代 DNA 近來成為一大利器。事實上,史上第一個古代 DNA 研究,對象正是一百多年前滅絕的馬家成員:斑驢(Equus quagga quagga,現在認為牠算是一種斑馬的亞種)。1984 年發表的論文,由死去多時的斑驢標本中獲得 DNA 片段,向世人宣告遺傳物質,不見得一定要從活體中取得 [1]。此論文也啟發了瑞典博士生史凡德.帕波,他日後投入尼安德塔人的研究,開創了全新的古代遺傳學領域。

如今不論是獲取古代 DNA 的技術,或基因體學的分析方法,都大幅超越 20 年前,讓我們能更加清楚地探究馬家的演化過程。斑驢 DNA 首度問世的 20 年後,2014 年發表的論文一共定序了 9 種馬家成員,也包括覆蓋率達到 7.9,更完整的斑驢基因組。[2]

馬、驢、斑馬都屬於馬屬(Equus),其中馬較早分家,驢和斑馬彼此關係較近。比較各種馬家成員的基因組,建構的親緣關係顯示,斑馬和驢的祖先,分家於 210 到 340 萬年前;而馬屬的共同祖先,誕生於 400 多萬年前。

9 種馬、驢、斑馬的染色體數目,與親緣關係。圖/取自 ref 2

染色體數目不一,仍可交流 DNA?

依現在的分佈狀況,馬住在歐亞大陸,驢在歐亞大陸與非洲都有,斑馬只住在非洲,美洲則是一種馬都沒有;然而馬屬最初的發源地,卻很可能位於美洲。綜合遺傳與化石記錄來看,馬屬是先在美洲現蹤;然後移民歐亞大陸,衍生出驢;接著於歐亞大陸或非洲的某處,再分化出縱橫於非洲的斑馬。

多種馬屬成員,彼此間染色體數目相差很大,例如索馬利野驢(Equus africanus somaliensis)有 31 對、62 條染色體,細紋斑馬(Equus grevyi)有 23 對、46 條染色體。出乎意料的是,染色體數目差異很多的 9 種馬屬成員,在牠們之間卻偵測到 4 次遺傳交流的跡象,例如上述提到的索馬利野驢與細紋斑馬。

假如兩種生物間發生過遺傳交流,意謂牠們曾經有過混血,並且能夠產生具有生殖能力的混血後代。過往認為,兩種動物間若是染色體數目不同,將成為兩者之間情慾交流的障礙;可是索馬利野驢和細紋斑馬,染色體數目差那麼多卻仍能混血,不符合以前的認知。詳細的狀況,仍有待更多研究釐清。

馬、驢、斑馬在歷史上,曾發生過 4 次遺傳交流。圖/取自 ref 2

是驢?是馬?身世神秘的美洲古馬

美洲儘管身為馬的發源地,如今卻是一種原住民馬都沒有。要研究美洲馬家的遺傳史,只能由古代 DNA 下手。美洲在幾萬年前除了馬以外,還住著一群分類不明的古馬「New World stilt-legged(簡稱 NWSL)」。有些學者由型態判斷,牠們比較接近亞洲的親戚亞洲野驢;也有學者根據定序到少少的 DNA 片段推測,NWSL 古馬應該跟馬比較親。

美洲的 NWSL 古馬究竟是驢?是馬?今年發表的論文,蒐集許多古馬樣本,包括 26 個完整的粒線體 DNA,以及 17 個殘缺的細胞核基因組,希望能確認 NWSL 古馬在馬家中的位置。[3]

結果令人驚訝,NWSL 古馬竟然不是驢,也不是馬!用粒線體 DNA 建構的親緣關係顯示,牠們在演化樹上自成一群,算是一個獨立在馬屬(馬、驢、斑馬)以外的支系。牠們更外頭是也已經滅絕,同為馬科的另一個屬:南美土著馬(Hippidion saldiasi)。

這個論文估計了馬、驢、斑馬共同祖先的年代,介於 377 到 440 萬年前,與之前研究的估計一致;而 NWSL 古馬與牠們大概是在 409 到 513 萬年前分家;南美土著馬分化的年代當然更早,距今約為 515 到 766 萬年。用細胞核基因組計算的時間和粒線體有點落差,不過十分一致地,將 NWSL 與親戚歸類成不同分枝。

以完整的粒線體 DNA 建構,馬、驢、斑馬、南美土著馬,以及這回新定序 NWSL 古馬(哈靈頓馬),之間的親緣關係和分家年代。圖/取自 ref 3

定義美洲馬家新成員:哈靈頓馬

由遺傳關係判斷,NWSL 古馬是與馬屬旗下的馬、驢、斑馬,以及也已滅絕的南美土著馬,皆已分家數百萬年的獨立支系,研究團隊決定將其定義為一個新的屬:Haringtonhippus。屬名來自動物學家 Charles Richard Harington,因此 Haringtonhippus 可稱之為「哈靈頓馬屬」。

之前 NWSL 這群古馬的化石,曾被歸類為好幾個物種,卻爭議連連;由 DNA 看來,已知樣本間差異都很有限,共同祖先可以追溯到 50 萬年內,所以研究團隊認為,牠們暫時只需歸類為一個新物種即可:Haringtonhippus francisci。為求方便,本文接下來就稱呼牠們為「哈靈頓馬」。

最初的馬屬成員是先在美洲誕生,接著才移民到亞洲。目前已知的哈靈頓馬只住在北美與中美洲,而南美土著馬也只在美洲出土過,因此哈靈頓馬屬應該也是在美洲當地演化出來的。假如哈靈頓馬起源於美洲,那麼牠們和亞洲的驢子親戚,之所以某些型態相似,可以推論,多半是趨同演化所致。

出土哈靈頓馬的分佈位置。圖/取自 ref 3

後來的美洲沒有馬

有意思的是,哈靈頓馬屬與親戚分家的年代,根據 DNA 分析超過 400 萬年;已知的化石記錄中,哈靈頓馬屬的型態特徵首度出現,卻至少要等到 300 萬年前;而北美洲馬的專屬特徵,則至少於距今 190 萬年才能觀察到。

型態上判斷兩種馬家成員的特徵,都比遺傳上分家的年代更晚出現;這般不一致,也許是化石記錄不全所致,也或許是遺傳上分化以後一段時間,獨特的型態特徵才慢慢演化出來,目前資訊有限,尚不足以論斷。

新的定年結果指出,哈靈頓馬至少在北美洲西北方的育空地區,生存到距今 14400 年前才滅絕。假如哈靈頓馬(不管旗下曾有過多少物種)誕生於超過 400 萬年前,那麼可以推論,牠們至少和兩群美洲的馬家親戚,美洲馬與南美土著馬,共同生活將近 400 萬年之久,卻在距今一萬年前左右,冰河時期結束之際,三者一同消失。

哈靈頓馬想象圖。美洲曾經有過馬,只是後來都滅絕了。圖/取自本研究新聞稿〈A horse is a horse, of course, of course — except when it isn’t

這也是世紀帝國的馬雅人和阿茲特克人,都沒有馬的原因。一開始移民美洲的人類,或許還有機會見過馬,但是之後不管哪種美洲馬都滅絕了,一種都不剩。

結合古代 DNA,共創古生物學新紀元

看到這裡,也許有讀者心中浮現疑惑:新物種能光靠 DNA 認定嗎?何況這邊定義的不只是物種,還是一個已經滅絕多時,全新的屬。不過以哈靈頓馬的狀況而言,牠已經為世人所知超過百年,但親緣關係仍曖昧不明;而過往依賴型態差異的分析方法,只能判斷牠們與美洲馬不一樣,卻無法更進一步的釐清問題。

相對的,在 DNA 建構的親緣關係樹中,哈靈頓馬在馬家中的位置相當明確,所有型態上被歸類為哈靈頓馬的化石樣本,遺傳上都屬於一個獨立,與其他親戚分家達到數百萬年的分枝;這才使得這回的研究團隊,有充分的理由,將所有哈靈頓馬都歸類為一個新成立的屬與種。

從 1984 年的斑驢到 2017 年的哈靈頓馬,眾多馬家成員見證了古代遺傳學的進展,古代 DNA 讓我們又多了一種認識過去的方法。古生物學與古代 DNA 結合,邁入新的紀元。

延伸閱讀:

參考文獻:

  1. Higuchi, R., Bowman, B., Freiberger, M., Ryder, O. A., & Wilson, A. C. (1984). DNA sequences from the quagga, an extinct member of the horse family. Nature, 312(5991), 282-284.
  2. Jónsson, H., Schubert, M., Seguin-Orlando, A., Ginolhac, A., Petersen, L., Fumagalli, M., … & Lear, T. (2014). Speciation with gene flow in equids despite extensive chromosomal plasticity. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(52), 18655-18660.
  3. Heintzman, P. D., Zazula, G. D., MacPhee, R. D., Scott, E., Cahill, J. A., McHorse, B. K., … & Southon, J. (2017). A new genus of horse from Pleistocene North America. eLife, 6.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
153 篇文章 ・ 377 位粉絲
生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》