為什麼人類比其他動物懷孕時間長？原因不在基因，而在蛋白質

2020-09-19 生物世界


所有哺乳動物都遵循相同的步驟從胚胎生長到成年，這其中涉及相似的基因和分子信號，以相同的順序進行著相同系列的事件。但是，從一個物種到另一個物種，通過這些相同步驟的胚胎發育卻速度差異很大。

為什麼某些物種的懷孕持續時間更長？例如，運動神經元在小鼠中發育只需要三天時間，而在人類中則需要一周以上。

2020年9月17日，最新一期的 Science 雜誌發表了來自英國弗朗西斯·克裡克研究所的一項題為：Species-specific pace of development is associated with differences in protein stability 的研究論文。

該研究發現了設定胚胎發育速度的時鐘，並發現是蛋白質製造和分解的速度決定了胚胎發育速度。這些發現有幫助我們了解不同的哺乳動物如何相互進化，並有助於完善再生醫學的方法。

答案在哪裡？

究竟是什麼決定了胚胎發育的速度？儘管許多發育過程的分子和細胞機制在進化上是保守的，但它們在不同物種之間運作的速度卻有很大差異。胚胎發育的節奏控制著個體分化過程的速度，並決定了整個發育的持續時間。儘管這很重要，但是控制發展節奏的機制仍然難以捉摸。

為了解開這個難題，研究人員首先從實驗室的幹細胞中培養了運動神經元，這樣就可以對細胞的發育進行計時，而不受胚胎內環境的任何影響。

通過比較小鼠和人類幹細胞的發育時間，研究團隊發現在體外這兩類細胞發育的時間與在個體水平有相同的速度差異。體外人類運動神經元形成的時間是同樣是小鼠運動神經元的兩倍多，因此，決定發育速度的答案在於細胞本身，而不是細胞周圍環境。


接下來，研究人員將人類DNA序列片段導入小鼠細胞，來確定是否是因為基因不同導致的發育速度不同。然而，這並沒有改變小鼠的發育速度，因此，決定發育速度的答案也不在基因中。

答案是蛋白質

蛋白質是生命活動的執行者，蛋白質在細胞內不斷地被製造和分解，不停循環更新，而在小鼠細胞和人類細胞中，蛋白質更新的速度並不相同，這一速度在小鼠中是人類的兩倍，蛋白質分解和更新的速度差異正好解釋了小鼠和人類這兩個物種之間的發育速度差異。小鼠細胞中這種較快的蛋白質更新速度導致了運動神經元的發育速度更快。

在人類和小鼠的胚胎發育中，運動神經元的發育使用相同的基因和分子，但是人類胚胎發育需要的時間更長。這是因為人類胚胎中蛋白質比小鼠胚胎中的蛋白質更穩定，這種蛋白質的穩定性減慢了人類胚胎發育速度。

論文第一作者 Teresa Rayon 解釋道：人類和小鼠的胚胎發育過程，就像拿著相同的樂譜演奏，但是人類的節拍器更慢，因此演奏的時間也就更長。現在我們已經找到了節拍器，還想進一步了解如何更改其速度。

發現的意義

了解控制發育時間的機制，對於理解再生醫學和幹細胞在疾病治療中的應用具有重要意義。

加快或減慢幹細胞的發育可以幫助改進用於研究和治療應用的特定類型細胞的生產方法，並且還可以為減緩癌症等疾病中細胞生長提供新的見解。


發育時間的變化，即所謂的異時性，在物種之間體型和大小差異的進化中起著重要作用。例如，人類大腦更大，因為它的細胞在胚胎發育過程中的時間要長於小鼠中的同類細胞。因此，除了疾病治療等實際應用之外，了解如何控制胚胎發育的速度，還能幫助我們了解不同物種是如何進化的。

論文連結：

https://science.sciencemag.org/content/369/6510/eaba7667

相關焦點

  • 為什麼人類在時候都可以懷孕,但動物必須等待發情?我很害羞
    作為動物的一個分支，人類的繁殖方式和絕大多數動物都一樣都依賴有性繁殖，但人類不同於普通動物，因為我們沒有發情期。一般來說，如果動物想繁殖，他們要到發情期才會開始求偶。人類是不同的，在人類社會，幾乎沒有發情，在一年中的每一個時期，都會有人類的懷孕和出生，我們可以說人類可以隨時懷孕。那麼為什麼人類在任何時候都可以懷孕，但是動物必須等待發情？我很害羞。
  • 人類基因編輯為什麼於法於理都不被允許
    在19世紀70年代基因工程技術發展到現在，世界各國早已 經有科學家對基因編輯這項技術開始研究。人類胚胎基因編輯技術以中心法則為生物學基礎，什麼是中心法則？就是認為遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再從RNA傳遞到蛋白質，再 由蛋白質進行表達，這個遺傳順序是不會發生改變的。
  • 和其他哺乳動物相比,為何人類分娩如此痛苦,原因很簡單
    網上看到個段子：「說自己老媽生自己時有點難產，老媽直接說不生了不生了！」足可說明，分娩是多麼痛苦的一件事。不自覺就想，為什麼人類分娩時會這麼痛苦，但是其他哺乳動物仿佛就沒有這個煩擾。人類的母親在分娩時，都會經歷疼痛，分娩的時間也會比其他哺乳動物長很多，首次懷孕的媽媽，平均的分娩時間竟然有9個小時。再對比一下猴子2個小時分娩完畢，簡直不要太痛苦了。
  • 為什麼人類記憶一點點信息都需要很長時間?
    這個問題的原因就在於：人類大腦與機器對於信息的存儲是完全不同的！在小時候相信每個人都經歷過背誦古詩文、英文單詞的「恐怖時光」！當時就在想為什麼自己的腦子不像U盤或者電腦一樣直接存儲呢？長大之後才知道自己小時候的想法有多可笑！
  • 人為何比其他動物更聰明呢,科學家發現人類擁有專屬「聰明基因」
    說明了地球演化是非常複雜，人類在研究這個演化史的時候，實際上有很多地方我們都沒有研究透徹，畢竟也化石非常漫長，而且有很多蛛絲馬跡，人類目前的科學手段還沒有辦法全面的揭示出來。特別是人類在進化史中扮演著非常重要的角色，那麼人類為何能夠區別於其他的動物呢？人類為什麼會擁有聰明的頭腦？為什麼會擁有獨特的感官和意識？些問題一直困擾著科學界，也一直困擾著世界上每一個人。
  • 大多數動物都有繁殖季，為什麼人類沒有？
    納米比亞的納馬誇蘭沙漠的雨季除開以上這些存在周期或者能適應環境而改變周期的動物之外，其他還有很多沒有繁殖周期的動物，全年沒有固定季節，除了懷孕周期以外，其他任何時間都可以完成繁殖！大猩猩中大約有會有10%比例找不到異性，這和人類也比較相似，但人類和大猩猩找不到對象的原因卻不大一樣，一般都是因為物質條件所致。
  • 人類為什麼不卵生呢?
    目前，科學家通過跟蹤分析早期哺乳動物如何首次懷孕胎生幼仔，從而揭曉人類懷孕的起源，並解釋了為什麼人類不是通過產卵生育後代。他們發現，數百萬年前一種遠古DNA殘片從周圍基因中「跳躍」出來，導致需要產卵生育過程的機制關閉。
  • 為什麼很多動物需要冬眠,原來人類不需要冬眠是有原因的?
    人類作為地球上擁有高智慧的生物，站在地球食物連結最頂端，然而很多動物具有的功能我們人類且沒有。比如說：冬眠，季節性的遷徙，還有就是自然災害的提前感應—地震。很多人想不明白了為什麼很多動物都可以冬眠，比如：刺蝟，蛇，蝙蝠，青蛙等等。
  • 佔據人類基因組的8%,人類的進化繁衍,為什麼要依賴病毒?
    人類住在一個布滿病毒的星球上，至今人類對於病毒是否是生命還存在著爭議，它們雖然是有生物質（蛋白質和核酸）組成的，卻只能在進入細胞後複製，既然不能像細胞生命那樣繁殖，也沒有細胞生命那樣明確單一的起源樹，更不會像細菌或動物那樣到處「爬」——病毒就被動地待著，等著進入細胞的機會，重配、嵌合，有點像單純的有機化學物質。
  • 佔據人類基因組的8%，人類的進化繁衍，為什麼要依賴病毒？
    人類住在一個布滿病毒的星球上，至今人類對於病毒是否是生命還存在著爭議，它們雖然是有生物質（蛋白質和核酸）組成的，卻只能在進入細胞後複製，既然不能像細胞生命那樣繁殖，也沒有細胞生命那樣明確單一的起源樹，更不會像細菌或動物那樣到處「爬」——病毒就被動地待著，等著進入細胞的機會，重配、嵌合，有點像單純的有機化學物質。
  • 為什麼人類不吃食肉動物的肉，只吃食草動物的肉？
    處於地球生態圈中特殊位置的我們的已經存在了很長時間了。從最初的類人猿到猿人到直立人再到早期智人和晚期智人，再到現如今的我們，已經過去了300到400萬年的時間。我們所有的一切都在發生著變化。，那麼為什麼我們不吃食肉動物的肉呢？
  • 為什麼人類看到同類殘骸會害怕?而看到其他動物的卻不太會?
    在幾百萬年的進化中，人類脫穎而出，佔領世界的各個角落，現在我們發展科技甚至不滿足於地球，但是我們有一些原始的東西依然留在我們體內。比如對一些無害事物的天然恐懼，現在打開網際網路可以看到一大堆的「恐懼症」，比如蜘蛛恐懼症，密集恐懼症，巨物恐懼症（這幾種恐懼症我都寫過，感興趣可以關注怪羅科普，翻翻我以前的文章）。
  • 與其他動物相比,人類的生殖器官為何如此獨特?
    人類進化了十多萬年， 我們與很多靈長類動物都有很近的親緣關係，但是不知道大家有沒有發現，和大猩猩、長臂猿這些靈長類動物相比，人類的性器官非常獨特，比如男人的陰莖明顯比其他靈長類動物大。再比如，女性的臀部也比其他動物豐滿。
  • 時間這東西，為什麼只有人類能感知到，其他的動物卻毫無知覺？
    我們關於時間的研究從未停止過，我們也沒有辦法判斷時間到底是不是真實存在的。不過有一點我們不難發現，那就是時間這個東西只有我們人類能夠感受得到，至於動物什麼的，完全不知道時間這個概念，當然，包括智商很高的黑猩猩。時間這東西，為什麼只有人類能感知到，其他的動物卻毫無知覺？
  • 人類為什麼遠遠超越了其他動物?霍金人擇原理的另一種描述
    人的智慧，即包括了人的基因信息，也包括了人的認知信息，基因信息保證了人類的穩定性，而認知信息則明顯具有比基因遺傳更強的自進化性。智慧信息朝著更具穩定性、自進化性的趨勢發展。從RNA的不穩定到DNA的穩定，從病毒的不穩定到細胞的穩定，從動物基因的穩定但進化性不強到人的非基因智慧信息（也就是人的認知）的強進化性加人的基因穩定性組合，都說明了這一點。
  • 人類的崛起，正在讓動物的劣勢基因快速「發揚光大」
    但是人類的出現到崛起 ，正在逐漸打破這種平衡，利益的追求，個人的愛好，正在讓物種的劣勢基因快速的「發揚光大」，曾經數以萬計年記的演變，在今天也變成了以年、百年來記，人類正在有意無意的操控著動物基因的選擇
  • 人類分娩史:為什麼分娩對人類來說如此痛苦和危險|懷孕|胎兒|產婦|...
    這種觀點認為，其他靈長類動物的懷孕時間更長，從而使得出生的嬰兒發育更完整，而人類的產道沒有這樣的條件。但金斯頓羅德島大學的杜斯沃思指出，這根本不符合事實：「相比於人們的常識，我們的嬰兒在出生時更大、發育更完善，而人類孕期也更長。」她指出。
  • 可憐了,為什麼小白鼠經常被拿來做實驗,其他動物不可以嗎?
    相信很多人都解剖過小動物，特別是醫學院的學生，解剖或者做實驗的時候第一個選擇的就是小白鼠，但是有沒有人想過小白鼠做錯了什麼，為什麼做什麼實驗都要考慮小白鼠呢？其實原因很簡單，雖然其他很多動物都可以用來做實驗，但是小白鼠卻是最便宜的一種，實驗的結果本來就是未知的，如果一直都是那那些價格高的動物做實驗花費肯定是更高的，所以很多人都會優先考慮小白鼠。還有一個重要的原因就是小白鼠的基因是除了大猩猩之外最接近人類的，用小白鼠做實驗然後觀察白鼠的反應就能夠推測出人類的大致反應了，這種實驗結果的數據就更接近準確性了。
  • 大猩猩不做力量訓練,肌肉卻很發達,為什麼人類不行?
    杜克大學的一位生物學博士曾經感嘆道，我們是肥胖的靈長類動物。眾多的科學研究也證明人類確實比大猩猩更胖，這無疑又是一把插在我們身上的小刀。到底是什麼原因讓大猩猩可以坐享其成，而人類卻成為肥胖的靈長類動物？我們將從宏觀與微觀兩個層面去探尋大猩猩的肌肉奧秘。相比較人類，大猩猩身體裡有個非常厲害的部位，消化系統。
  • 為什麼人類嬰兒那麼弱小，而動物出生就能跑？
    你是否這樣想過：人類嬰兒太弱了，出生兩個月才能爬起，六個月才能翻個身，一歲才能爬幾步，吃飯要人喂，睡要被人哄，行動要人抱，如果沒有成人的照顧結局一定是死亡。而動物呢？馬、牛、長頸鹿的幼崽出生後一個小時內就可以站立，出生第一天就可以躲避捕食者；猴子幼崽能夠緊緊抓住母猴的毛掛在母猴肚子下，一站式解決溫飽和安全問題；魚、鱉、鯨魚的幼苗生下來就會遊泳；雞、鴨子出殼後就可以滿地亂跑。