果蠅基因兩性互相傷害？一個基因不夠，那就複製一個！

現代形象的可愛版阿波羅與阿特米絲……來互相傷害啊！圖／取自 deviantart

同一個基因，在兩性間衝突

染色體承載著生命的遺傳訊息，又分為體染色體與性染色體。兩性生殖的生物中，性染色體是兩性有別，體染色體則沒有差異。以人類為例，性染色體有 X、Y 兩種；體染色體由 1 號到 22 號，女生和男生每一號各自配備兩條，兩條間沒有差別。

然而，兩性面對的演化壓力不同，體染色體上的同一個基因，在不同世代下有時扮演女生，有時候卻是男生，各自受到不同力量影響，同一個基因難道不會角色錯亂嗎？

當然會！同一基因在不同性別，分別受到不同外力影響而導致的衝突，稱作「性別衝突（sexual conflict）」。理論上，所有有性生殖的生物都有機會產生，不過以常理判斷，即使性別衝突存在，時間久了應該也會演化出解決之道；而無法解決兩性互相傷害的生物，大概早已自滅了。

同一基因在兩性間的性別衝突該如何解決？最近一項研究詳細探討了一種解決之道：基因複製。

阿波羅與阿特米絲基因的排列順序。圖／取自 ref 1

阿特米絲與阿波羅

研究對象是最芭樂的黃果蠅（Drosophila melanogaster），不論垃圾桶或實驗室都很常見。黃果蠅的體染色體上有 2 個序列非常相似，以串聯排列的基因，論文將其取名為「阿特米絲（Artemis）」與「阿波羅（Apollo）」。[1]

• 延伸閱讀：【短篇】果蠅基因表現，1+1 大於 2

基因的名號來自希臘神話中一對知名的姐弟。他們仙力強大、位高權重：姊姊是管理月亮的月神，弟弟是掌握太陽的太陽神。姐弟出身也十分尊貴：爸爸是宙斯，媽媽是勒托（Leto）。（阿特米絲就是羅馬神話中的戴安娜 Diana，或許知名度更高）。

古希臘形象雕像版的一家人，由左至右：爸爸宙斯、媽媽勒托、弟弟阿波羅、姊姊阿特米絲。圖／取自 Ancient History Encyclopedia

世界上有那麼多基因，為什麼研究它們？這兩個基因序列相似，意謂它們是關係密切的同源基因，而黃果蠅的近親，卻都只有一個基因；表示黃果蠅是在與近親分家以後，才由於基因複製而形成兩個基因。進一步研究發現，這兩個基因與生殖細胞的製造有關，而且兩性有別。

一個可以用，兩個會更好

黃果蠅的近親物種，如擬黃果蠅（Drosophila simulans）、塞席爾果蠅（Drosophila sechellia）都只有一個基因，此一基因會分別在女生的卵巢，與男生的睪丸表現。配備姐弟基因的黃果蠅，阿特米絲與阿波羅的表現模式不同，阿波羅會在睪丸，阿特米絲則於卵巢大量表現。

兩個性別，不同物種，各組織的基因表現高低。圖／取自 ref 1

假如把黃果蠅的阿波羅基因，用 RNA干擾抑制表現，或是用 CRISPR-Cas9 基因改造直接消滅掉，能長大成蠅的男生比例將下降超過 20%，而且還會不孕，沒辦法傳宗接代。相對的，用同樣的方法處理阿特米絲，雖然長大成蠅的女生比例不變，卻也會通通不孕。

進一步的實驗發現，缺乏阿波羅的男生之所以不孕，理由是精子無法正常發育成形；而沒有阿特米絲，無法生育的女生，則沒有辦法製造正確的卵子。由細胞狀態看來，這兩個基因的功能是參與細胞骨架作用，進而影響精子或卵子的生成，所以沒有它們的果蠅，做不出正常的生殖細胞，也就無法繁衍。

上述結果，很符合演化學家對基因複製的想像。以吃便當舉例，「一個便當吃不飽，你可以吃兩個」，只有一個便當吃，不會餓死卻吃不飽，假如負擔得起兩個便當，不但不會餓死還能吃飽，當然比只能吃一個更好。基因複製狀況類似，若是一個基因工作繁重，甚至不同任務之間會彼此衝突，那麼複製出另一個基因，兩個基因一同工作，甚至是讓兩個基因分工，獨自專精一部份任務，豈不比只有一個基因忙到鬼打牆來得更好？

用同源基因建構的基因關係樹，和其他同源基因相比，黃果蠅的阿特米絲與阿波羅，彼此間更加接近。圖／取自 ref 1

在黃果蠅近親中，沒有阿特米絲、也沒有阿波羅，只有一個基因，而這一個基因要替女生製造卵子，還要替男生製作精子。黃果蠅卻有了兩個基因，其中一個專門製造卵子，另一個製作精子。演化上，把本來一個基因的工作拆成兩個，專業分工是否有優勢？由所有黃果蠅族群皆配備阿特米絲與阿波羅看來，擁有兩個基因，應該的確比只有一個更好。

女生、男生，為什麼要互相傷害？

不過，事情沒這麼單純。阿特米絲參與卵子製造，所以沒有阿特米絲的女果蠅會不孕，男果蠅照理來說不受影響；可是實驗結果讓人吃驚，沒有阿特米絲的男果蠅，生育的後代竟然比本來更多！而阿波羅也是一樣，沒有阿波羅的男生會不孕，女生卻也能生下更多寶寶，達到多出 15% 之多。

出乎意料，分別替女生與男生辦事的阿特米絲與阿波羅，兩個基因會互相傷害另一個性別。這是很極端的兩性衝突，對女生有利、生殖時必需的基因，反而會傷害男生，反之亦然。

沒有阿波羅與阿特米絲之下，生殖後代的數目。圖／取自 ref 1

為什麼要互相傷害？由 DNA 序列判斷，變成兩個基因以後，阿特米絲改變較少，阿波羅變化較多；因此阿波羅對精子生成不可或缺，阿特米絲不再參與精子，只維持原本製造卵子的任務，應該是新演化的結果。

然而兩個基因的序列仍十分相似，預期與功能有關的關鍵位置也缺乏差異。由表現看來，男生的睪丸中，儘管阿波羅會大量表現，卻仍會製造阿特米絲；而女生的卵巢製造阿特米絲之外，也會表現微量阿波羅。推測是，睪丸中不需要的阿特米絲，會干擾阿波羅在精子發育時的角色，反之亦然。[2]

以上只是公堂上的推論，具體機制仍不清楚，不過可以肯定這對姐弟基因，會用某種方式互相傷害，若是阿特米絲或阿波羅不存在，對男生或女生更為有益。看到這裡或許有讀者感到好奇：假如兩個基因會互相傷害，那麼保持本來一個基因不就沒事了嗎？

看不見傷害，不代表衝突不存在

換個角度看，兩個基因彼此間互相傷害，是兩性衝突所致，可是難道女生和男生共用一個基因時，衝突就不存在？恐怕衝突不但存在，還更加嚴重，只是隱沒於檯面之下，表面不容易看見而已。

本來只有一個基因，複製出另一個基因，再分別演化出性別特化功能。圖／取自 ref 2

同樣一個基因，若是分別替女生與男生服務，必需仰賴不同的調控方式。在其他種果蠅中，只有一個基因卻要執行兩項任務，顯然性別專一的控制不可或缺；男生使用一套男性專屬的調控機制，讓基因在睪丸表現，女生則需要另一套女性限定的調控，於卵巢作用，才能達成讓同一個基因，於兩性分別扮演各自角色的「兩性雙型性（sexual dimorphism）」。

這套女男有別的調控機制，解決兩性衝突的成效應該不差，至少我們能看到，其他果蠅物種都活得好好的。然而當黃果蠅發生傳送器意外（誤），複製出另一個基因以後，似乎就不再需要如此複雜的調控機制了；二號基因接管男生，成為專心製造精子的阿波羅，本來的一號基因繼續參與製作卵子，變成阿特米絲。如此一來，女生和男生即使都配備兩個基因，製造生殖細胞時，卻只需要使用較適合自己的一個。

根據序列差異估計，阿特米絲與阿波羅大約誕生 20 萬年，相當年輕（粗估不見得準確，不過也老不到哪兒去）。或許是因為演化不久，兩者差異很少，還會互相干擾，使得本來看不見的兩性衝突上了檯面。但是對黃果蠅而言，擁有兩個基因應該還是 Z 大於 B，，能舒緩兩性間的衝突，否則我們應該會找到某些黃果蠅族群，走上一個基因的回頭路，而這並沒有發生。

一次、兩次、三次，是趨同演化嗎？

有意思的是，黃果蠅的基因複製並非特例。另一種果蠅 Drosophila willistoni 的這個基因，也由於基因複製變成兩個。而通往 obscura 支系的路上，此一基因也複製一次，使得 obscura 旗下的 Drosophila pseudoobscura 擁有兩個，然後它的近親 Drosophila persimilis 又複製一次，使得這種果蠅配備三個基因。

各種果蠅的親緣關係，以及出現基因複製的支系。圖／取自 ref 1

這幾次果蠅的基因複製，是彼此無關的獨立事件，而且 D. willistoni、D. pseudoobscura、D. persimilis 與黃果蠅的串聯複製（tandem duplication）不同，它們都是反轉錄轉位（retrotransposition），也就是原本基因轉錄表現出的 mRNA，又反轉錄成 DNA 插入基因組另一個位置，造成基因複製。

這三種果蠅中，這些基因是否也參與製造生殖細胞，並沒有直接的實驗證明。不過表現模式卻出奇一致，所有物種都和黃果蠅一樣，其中一個基因在睪丸表現較高，另一個基因在卵巢較多。由此推測，它們在基因複製以後，都經歷了兩性功能的專一性分化。

兩個性別，不同物種，各組織的基因表現高低。圖 ref 1

不管新的基因怎麼誕生，事後全都演化成兩性有別的表現模式，實在很難是巧合。論文認為，這些重複上演的相似發展，佐證以下的論點：此一對生殖細胞發育不可或缺的基因，由於兩性衝突強烈，只要出現另一個複製品，都能很快演化出只專精於某一性別的角色，釋放原本基因的壓力，有效調和兩性之間的衝突。

衝突，無所不在

儘管過往早就知道，兩性有別的表現調控外，基因複製也是解決兩性衝突的一種方法，不過像這回研究般清楚的案例仍不多見。它也帶來許多值得深思之處，例如，每次細胞分裂都要複製一次全套 DNA 序列，很花成本，許多基因都不是必需，沒有它們也不會死掉，為什麼眾多生物要維持那麼龐大的基因組，攜帶那麼多基因？

阿特米絲與阿波羅的案例，大概像是本來只有一間共用廁所，後來多出一間，變成女生和男生各用一間。

為什麼基因組中，同時存在那麼多組功能類似，序列接近的同源基因？演化上不難解釋。多幾個長很像的基因，可以互相備份，即使一個壞掉，也有同類能夠救援。基因複製也能促進演化創新，在一個基因保持原有功能之餘，與其同源的基因還有餘裕開發新的角色。

而這個研究指出，基因複製對解決衝突也很重要。同一個基因分別於兩性作用的兩性衝突，只是其中一種矛盾而已，生物還要面對各式各樣的衝突。同一個基因，在不同細胞組織，如大腦、肝臟、皮膚；在不同成長階段，如果蠅的幼蟲、成體，人類的小孩、成人；在不同外在環境，如酷寒、乾旱、缺氧；勢必也面臨不同的壓力。假如基因複製能舒緩兩性衝突，那麼也會是解決其他情境衝突的辦法之一。

基因組上這麼多基因，記錄著演化史上的利害糾葛，面對種種矛盾與困境，沒有完美解藥，只求生存下去。不過，要是沒有這些衝突交織，恐怕也不會演化出如此多彩多姿的生命世界了。

延伸閱讀：

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• 鄉民的30公分哪夠看！二裂果蠅5.8公分等級的超大型精子
• 兩性間的化學戰爭，以及果蠅

參考文獻：

1. VanKuren, N. W., & Long, M. (2018). Gene duplicates resolving sexual conflict rapidly evolved essential gametogenesis functions. Nature ecology & evolution, 1.
2. Duplication resolves conflict

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。