當 DNA 無法追蹤人類演化,多醣類可以

作者 | 發布日期 2017 年 10 月 04 日 10:49 | 分類 生物科技 , 科技趣聞 follow us in feedly

對於研究演化和人類學而言,化石中發現的 DNA 是很珍貴的研究工具。然而,在地質年齡較老的非洲,DNA 早已被高溫高濕的氣候破壞殆盡。加州大學聖地牙哥分校醫學中心和位在肯亞的圖爾卡納湖盆地研究所合作,發現一種新的多醣類,它完好保存在 400 多萬年前的動物化石中,最重要的是它能提供 DNA 無法提供的資訊。



科學家相當重視的多醣類名為 N-glycolylneuraminic acid(簡稱 Neu5Gc),是多醣類唾液酸的衍生物,它在免疫辨識和感染中扮演很重要的角色。許多動物和除了人類之外的猿類具合成 Neu5Gc 的能力。換句話說,我們的祖先在演化過程中喪失了製造 Neu5Gc 的能力,但其他猿類卻將這項能力保存下來。這也是演化出現今人類的轉捩點。

加州大學聖地牙哥分校醫學中心細胞學與分子醫學所特聘教授的 Ajit Varki 醫學博士表示:「最近這幾十年來,許多人族的化石陸續被發現,而他們也被認為是人類的祖先。但他們並非全部演化成現代人類,比較可能的情況是演化出多種類似現代人類的物種,然後只有一種被保留下來,流傳至今。我們能藉由追蹤這種多醣類得知現代人屬於何種譜系,還能解開許多關於人類演化的問題,甚至回答為什麼人類有愛吃紅肉的傾向。」

數百萬年以來,人族和猿類都擁有製造 Neu5Gc 的能力。可惜好景不常,瘧原蟲逐漸能利用 Neu5Gc 為感染的手段,因此在 200 萬至 300 萬年前,人類製造 Neu5Gc 酵素的基因開始突變,最終導致這段基因失去活性,人類祖先至此無法再製造 Neu5Gc,也加速了人類祖先在人族譜系與其他物種的分歧,最終產生生殖隔離。

時至今日,黑猩猩和其他哺乳類仍能製造 Neu5Gc。相較之下,人類的血液和組織僅能檢測到微量 Neu5Gc。根據 Varki 教授和團隊的研究,這不是因為人類能自行製造 Neu5Gc,而是因為我們在吃含有豐富多醣類的紅肉時,Neu5Gc 便會累積。

(Source:Flickr/Winfried Mosler CC BY 2.0)

Varki 團隊發現 Neu5Gc 除了會被高溫高濕的氣候破壞而自然分解,也會進入骨頭和硫酸軟骨素(CS)結合,形成 Gc-CS,且 Gc-CS 已由實驗證實非常耐用。Gc-CS 存在於哺乳類,包括黑猩猩的骨頭和小鼠的組織。和 Neu5Gc 一樣,人類細胞和血清也含有微量,Gc-CS 來源一樣是攝取紅肉。研究人員假設:在缺乏 Neu5Gc 和 Gc-Cs 的小鼠體內,只有攝取含有 Neu5Gc 的食物時,才能檢測到 Gc-Cs。由於 Neu5Gc 不是人體自行製成,因此免疫系統將其視為異物,產生抗體,於是他們同時也推測這樣的反應可能使攝取紅肉變成有害的行為。

他們利用小鼠實驗,將研究成果發表於 2014 年美國《國家科學院院刊》,並證實了非天生的 Neu5Gc 會因產生免疫反應,而使癌症發生率提高。他們將小鼠分為二組,一組保留原有 Neu5Gc,另一組利用遺傳工程技術,將 Neu5Gc 去除,模仿人類的情況。再分別餵食 Neu5Gc 後,去除 Neu5Gc 的小鼠癌症發生率是對照組的五倍以上。

Varki 教授找了圖爾卡納湖盆地研究所的古人類學家 Meave Leakey 博士為長期合作者,他能提供古老的化石樣品來研究。Varki 團隊以許多動物化石測試,其中發現一個 400 萬年前牛屬動物的化石有 Gc-CS。這個化石是在圖爾卡納湖盆地北部阿利亞灣的骨層發現的,且在同樣深度也發現了人族化石。很重要的是它們皆為 400 萬年前的化石,因為遺傳分析顯示人類的祖先是在大約 200 萬到 300 萬年前失去製造 Neu5Gc 的能力。藉由這樣的對比,可應證 Neu5Gc 在人類祖先體內的存在與消失狀況。

Varki 教授希望藉由偵測 Gc-CS,揭露人類祖先開始攝取紅肉時的演化歷程。他表示或許有一天會找到 3 種不同的人族化石,分別是:在人族譜細分歧前有 Gc-CS 的化石;沒有 Gc-CS 的直系譜系化石;最後是更近代的,當人類祖先開始吃紅肉時,微量 Gc-CS 又再度出現的化石。Leakey 博士表示在 DNA 迅速降解的熱帶地區需要有良好的替代方案,因此期望 Gc-CS 未來可發揮的作用,讓研究古代多醣類成為調查人類起源的新方法。

犧牲一點點組織為研究樣品,換來的竟是對過去有更大的認識,這樣的交易真的很值得啊!

(首圖來源:Meave Leakey, PhD) 

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