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摘要：科學家表明，脊椎動物特異性球蛋白起源於兩輪基因組複製。
我們脊椎動物為了O2而努力。無論我們是魚還是羚羊，我們都有鰓和肺，從空氣或水中過濾氧氣。我們還有跳動的心臟，將富含氧氣的血液輸送到身體最遙遠的角落。但文昌魚不是這樣。這種小魚狀生物直接透過皮膚呼吸。文昌魚確實有鰓，但它只用鰓從水中過濾食物顆粒，而不是氧氣。它甚至沒有心臟來引導血液流動。
脊椎動物和文昌魚處理氧氣的方式在分子尺度上也不同。我們脊椎動物進化出了一整套用於攜帶和儲存氧氣的蛋白質，而文昌魚缺乏這些蛋白質。這些蛋白質中最著名的成員是血紅蛋白，它佔我們紅細胞的 95%。血紅蛋白是完美的氧氣運輸者。它在氧氣濃度高的地方（肺）吸收氧氣，並在濃度低的地方（肌肉和其他器官）釋放氧氣。我們還有專門儲存氧氣的球蛋白，例如肌肉中的肌紅蛋白和大腦中的細胞血紅蛋白。
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所有這些操縱氧氣的工具的起源都可以追溯到我們進化史上的一個戲劇性事件。大約五十億年前，就在文昌魚和脊椎動物譜系分道揚鑣後不久，脊椎動物祖先的整個基因組被意外地複製了。兩次。我們遙遠的祖先因此擁有了比以前多四倍的基因。這開闢了以前封閉的進化途徑。為什麼會這樣呢？想象一下你的樂高積木收藏擴大了四倍。你不僅可以建造更大的城堡，額外的積木也帶來了額外的靈活性。你可以用新的方式組合它們，同時保持城堡的核心完好無損。複製的基因也是如此。它們的冗餘性使它們能夠專門化、分工並進化出新的功能。
在上個月發表的一篇論文中，科學家表明我們的球蛋白基因誕生於這兩輪基因組複製。由內布拉斯加大學的 Jay Storz 領導的團隊首先檢索了文昌魚、海鞘和十五種不同脊椎動物（鳥類、蜥蜴、魚類和哺乳動物）的所有球蛋白序列，並確定了它們之間的進化關係。
他們發現所有脊椎動物球蛋白都佔據了球蛋白家族樹中的四個分支。它們是肌紅蛋白、細胞血紅蛋白、血紅蛋白和 GbY，GbY 是一種僅在爬行動物和鴨嘴獸中發現的球蛋白。這四個譜系對應於文昌魚球蛋白的單個譜系。雖然 4:1 的分佈符合雙基因組複製的情景，但歷史證明要複雜一些。
Storz 和他的同事推斷，如果這四個球蛋白譜系真的是透過基因組複製產生的，那麼它們的基因鄰域應該看起來相似。畢竟，我們祖先的所有基因都是一次性複製的。由於基因傾向於隨著時間的推移保持其相對位置，因此複製的球蛋白家族的基因鄰居應該是相似的。當然，經過 5 億年的進化，它們不會完全相同。基因一直在丟失、獲得和重組。然而，“鄰域訊號”（遺傳學家稱之為同線性）是一個強烈的訊號，在數百萬年後仍然可以識別。
該團隊發現了三個包含球蛋白的鄰域，分佈在不同的染色體上。他們將其命名為 Mb（肌紅蛋白）、Cygb（細胞血紅蛋白）和 Hb（血紅蛋白）。事實證明，GbY 是血紅蛋白家族的較新成員，而不是第四種球蛋白型別。研究人員發現，這第四種球蛋白完全缺失了。它以前的鄰居仍然存在，在我們第 19 號染色體上，但球蛋白本身在很久以前就滅絕了。由於缺少球蛋白，研究人員將該區域命名為 Gb-。
研究人員展示了最初的複製如何產生 Mb/Cygb 和 Hb/Gb- 簇。這是一個有趣的分裂，因為原始血紅蛋白（血液球蛋白）進化為氧氣運輸蛋白，而肌紅蛋白和細胞血紅蛋白（肌肉和大腦球蛋白）則成為氧氣儲存蛋白。作者寫道：“第一輪 WGD 可能最初為 [肌紅蛋白] 和 [血紅蛋白] 的進化先驅之間的生理分工奠定了基礎，方法是允許基因表達的組織特異性出現分歧。” 換句話說，正是基因組複製使這些球蛋白能夠在不同的組織中進化出特定的功能。
經過 5 億年的進化，文昌魚是生活在泥土中的小型濾食動物。我們脊椎動物已經進化成自由漫步的食草動物、掠食者和 180 噸重的濾食動物。正是由於複雜的迴圈系統（我們的心臟和鰓/肺）和精細的氧氣運輸系統（球蛋白家族）的共同進化，我們的祖先才能變得更大，並過上比我們遙遠的表親更積極的生活方式。血紅蛋白確實是健康心跳的關鍵。
圖片
心臟圖片來源：Kris Gabbard。
遺傳鄰域資訊來自參考文獻。
參考文獻
Hoffmann FG, Opazo JC, & Storz JF (2011)。全基因組複製促進了脊椎動物球蛋白基因超家族的功能多樣化。《分子生物學與進化》PMID：21965344