果蝇基因两性互相伤害？一个基因不够，那就复制一个！
果蝇基因两性互相伤害？一个基因不够，那就复制一个！ 原载于泛科学
现代形象的可爱版阿波罗与阿特米丝……来互相伤害啊！图／取自 deviantart
同一个基因，在两性间冲突
染色体承载著生命的遗传讯息，又分为体染色体与性染色体。两性生殖的生物中，性染色体是两性有别，体染色体则没有差异。以人类为例，性染色体有 X、Y 两种；体染色体由 1 号到 22 号，女生和男生每一号各自配备两条，两条间没有差别。
然而，两性面对的演化压力不同，体染色体上的同一个基因，在不同世代下有时扮演女生，有时候却是男生，各自受到不同力量影响，同一个基因难道不会角色错乱吗？
当然会！同一基因在不同性别，分别受到不同外力影响而导致的冲突，称作「性别冲突（sexual conflict）」。理论上，所有有性生殖的生物都有机会产生，不过以常理判断，即使性别冲突存在，时间久了应该也会演化出解决之道；而无法解决两性互相伤害的生物，大概早已自灭了。
同一基因在两性间的性别冲突该如何解决？最近一项研究详细探讨了一种解决之道：基因复制。
阿波罗与阿特米丝基因的排列顺序。图／取自 ref 1
阿特米丝与阿波罗
研究对象是最芭乐的黄果蝇（Drosophila melanogaster），不论垃圾桶或实验室都很常见。黄果蝇的体染色体上有 2 个序列非常相似，以串联排列的基因，论文将其取名为「阿特米丝（Artemis）」与「阿波罗（Apollo）」。[1]
基因的名号来自希腊神话中一对知名的姐弟。他们仙力强大、位高权重：姊姊是管理月亮的月神，弟弟是掌握太阳的太阳神。姐弟出身也十分尊贵：爸爸是宙斯，妈妈是勒托（Leto）。（阿特米丝就是罗马神话中的戴安娜 Diana，或许知名度更高）。
古希腊形象雕像版的一家人，由左至右：爸爸宙斯、妈妈勒托、弟弟阿波罗、姊姊阿特米丝。图／取自 Ancient History Encyclopedia
世界上有那么多基因，为什么研究它们？这两个基因序列相似，意谓它们是关系密切的同源基因，而黄果蝇的近亲，却都只有一个基因；表示黄果蝇是在与近亲分家以后，才由于基因复制而形成两个基因。进一步研究发现，这两个基因与生殖细胞的制造有关，而且两性有别。
一个可以用，两个会更好
黄果蝇的近亲物种，如拟黄果蝇（Drosophila simulans）、塞席尔果蝇（Drosophila sechellia）都只有一个基因，此一基因会分别在女生的卵巢，与男生的睪丸表现。配备姐弟基因的黄果蝇，阿特米丝与阿波罗的表现模式不同，阿波罗会在睪丸，阿特米丝则于卵巢大量表现。
两个性别，不同物种，各组织的基因表现高低。图／取自 ref 1
假如把黄果蝇的阿波罗基因，用 RNA干扰抑制表现，或是用 CRISPR-Cas9 基因改造直接消灭掉，能长大成蝇的男生比例将下降超过 20%，而且还会不孕，没办法传宗接代。相对的，用同样的方法处理阿特米丝，虽然长大成蝇的女生比例不变，却也会通通不孕。
进一步的实验发现，缺乏阿波罗的男生之所以不孕，理由是精子无法正常发育成形；而没有阿特米丝，无法生育的女生，则没有办法制造正确的卵子。由细胞状态看来，这两个基因的功能是参与细胞骨架作用，进而影响精子或卵子的生成，所以没有它们的果蝇，做不出正常的生殖细胞，也就无法繁衍。
上述结果，很符合演化学家对基因复制的想像。以吃便当举例，「一个便当吃不饱，你可以吃两个」，只有一个便当吃，不会饿死却吃不饱，假如负担得起两个便当，不但不会饿死还能吃饱，当然比只能吃一个更好。基因复制状况类似，若是一个基因工作繁重，甚至不同任务之间会彼此冲突，那么复制出另一个基因，两个基因一同工作，甚至是让两个基因分工，独自专精一部份任务，岂不比只有一个基因忙到鬼打墙来得更好？
用同源基因建构的基因关系树，和其他同源基因相比，黄果蝇的阿特米丝与阿波罗，彼此间更加接近。图／取自 ref 1
在黄果蝇近亲中，没有阿特米丝、也没有阿波罗，只有一个基因，而这一个基因要替女生制造卵子，还要替男生制作精子。黄果蝇却有了两个基因，其中一个专门制造卵子，另一个制作精子。演化上，把本来一个基因的工作拆成两个，专业分工是否有优势？由所有黄果蝇族群皆配备阿特米丝与阿波罗看来，拥有两个基因，应该的确比只有一个更好。
女生、男生，为什么要互相伤害？
不过，事情没这么单纯。阿特米丝参与卵子制造，所以没有阿特米丝的女果蝇会不孕，男果蝇照理来说不受影响；可是实验结果让人吃惊，没有阿特米丝的男果蝇，生育的后代竟然比本来更多！而阿波罗也是一样，没有阿波罗的男生会不孕，女生却也能生下更多宝宝，达到多出 15% 之多。
出乎意料，分别替女生与男生办事的阿特米丝与阿波罗，两个基因会互相伤害另一个性别。这是很极端的两性冲突，对女生有利、生殖时必需的基因，反而会伤害男生，反之亦然。
没有阿波罗与阿特米丝之下，生殖后代的数目。图／取自 ref 1
为什么要互相伤害？由 DNA 序列判断，变成两个基因以后，阿特米丝改变较少，阿波罗变化较多；因此阿波罗对精子生成不可或缺，阿特米丝不再参与精子，只维持原本制造卵子的任务，应该是新演化的结果。
然而两个基因的序列仍十分相似，预期与功能有关的关键位置也缺乏差异。由表现看来，男生的睪丸中，尽管阿波罗会大量表现，却仍会制造阿特米丝；而女生的卵巢制造阿特米丝之外，也会表现微量阿波罗。推测是，睪丸中不需要的阿特米丝，会干扰阿波罗在精子发育时的角色，反之亦然。[2]
以上只是公堂上的推论，具体机制仍不清楚，不过可以肯定这对姐弟基因，会用某种方式互相伤害，若是阿特米丝或阿波罗不存在，对男生或女生更为有益。看到这里或许有读者感到好奇：假如两个基因会互相伤害，那么保持本来一个基因不就没事了吗？
看不见伤害，不代表冲突不存在
换个角度看，两个基因彼此间互相伤害，是两性冲突所致，可是难道女生和男生共用一个基因时，冲突就不存在？恐怕冲突不但存在，还更加严重，只是隐没于台面之下，表面不容易看见而已。
本来只有一个基因，复制出另一个基因，再分别演化出性别特化功能。图／取自 ref 2
同样一个基因，若是分别替女生与男生服务，必需仰赖不同的调控方式。在其他种果蝇中，只有一个基因却要执行两项任务，显然性别专一的控制不可或缺；男生使用一套男性专属的调控机制，让基因在睪丸表现，女生则需要另一套女性限定的调控，于卵巢作用，才能达成让同一个基因，于两性分别扮演各自角色的「两性双型性（sexual dimorphism）」。
这套女男有别的调控机制，解决两性冲突的成效应该不差，至少我们能看到，其他果蝇物种都活得好好的。然而当黄果蝇发生传送器意外（误），复制出另一个基因以后，似乎就不再需要如此复杂的调控机制了；二号基因接管男生，成为专心制造精子的阿波罗，本来的一号基因继续参与制作卵子，变成阿特米丝。如此一来，女生和男生即使都配备两个基因，制造生殖细胞时，却只需要使用较适合自己的一个。
根据序列差异估计，阿特米丝与阿波罗大约诞生 20 万年，相当年轻（粗估不见得准确，不过也老不到哪儿去）。或许是因为演化不久，两者差异很少，还会互相干扰，使得本来看不见的两性冲突上了台面。但是对黄果蝇而言，拥有两个基因应该还是 Z 大于 B，，能舒缓两性间的冲突，否则我们应该会找到某些黄果蝇族群，走上一个基因的回头路，而这并没有发生。
一次、两次、三次，是趋同演化吗？
有意思的是，黄果蝇的基因复制并非特例。另一种果蝇 Drosophila willistoni 的这个基因，也由于基因复制变成两个。而通往 obscura 支系的路上，此一基因也复制一次，使得 obscura 旗下的 Drosophila pseudoobscura 拥有两个，然后它的近亲 Drosophila persimilis 又复制一次，使得这种果蝇配备三个基因。
用ananassae果蝇，两性肚子色素差异，研究趋同演化的遗传机制
各种果蝇的亲缘关系，以及出现基因复制的支系。图／取自 ref 1
这几次果蝇的基因复制，是彼此无关的独立事件，而且 D. willistoni、D. pseudoobscura、D. persimilis 与黄果蝇的串联复制（tandem duplication）不同，它们都是反转录转位（retrotransposition），也就是原本基因转录表现出的 mRNA，又反转录成 DNA 插入基因组另一个位置，造成基因复制。
这三种果蝇中，这些基因是否也参与制造生殖细胞，并没有直接的实验证明。不过表现模式却出奇一致，所有物种都和黄果蝇一样，其中一个基因在睪丸表现较高，另一个基因在卵巢较多。由此推测，它们在基因复制以后，都经历了两性功能的专一性分化。
两个性别，不同物种，各组织的基因表现高低。图 ref 1
不管新的基因怎么诞生，事后全都演化成两性有别的表现模式，实在很难是巧合。论文认为，这些重复上演的相似发展，佐证以下的论点：此一对生殖细胞发育不可或缺的基因，由于两性冲突强烈，只要出现另一个复制品，都能很快演化出只专精于某一性别的角色，释放原本基因的压力，有效调和两性之间的冲突。
冲突，无所不在
尽管过往早就知道，两性有别的表现调控外，基因复制也是解决两性冲突的一种方法，不过像这回研究般清楚的案例仍不多见。它也带来许多值得深思之处，例如，每次细胞分裂都要复制一次全套 DNA 序列，很花成本，许多基因都不是必需，没有它们也不会死掉，为什么众多生物要维持那么庞大的基因组，携带那么多基因？
阿特米丝与阿波罗的案例，大概像是本来只有一间共用厕所，后来多出一间，变成女生和男生各用一间。
为什么基因组中，同时存在那么多组功能类似，序列接近的同源基因？演化上不难解释。多几个长很像的基因，可以互相备份，即使一个坏掉，也有同类能够救援。基因复制也能促进演化创新，在一个基因保持原有功能之余，与其同源的基因还有余裕开发新的角色。
而这个研究指出，基因复制对解决冲突也很重要。同一个基因分别于两性作用的两性冲突，只是其中一种矛盾而已，生物还要面对各式各样的冲突。同一个基因，在不同细胞组织，如大脑、肝脏、皮肤；在不同成长阶段，如果蝇的幼虫、成体，人类的小孩、成人；在不同外在环境，如酷寒、干旱、缺氧；势必也面临不同的压力。假如基因复制能舒缓两性冲突，那么也会是解决其他情境冲突的办法之一。
基因组上这么多基因，记录著演化史上的利害纠葛，面对种种矛盾与困境，没有完美解药，只求生存下去。不过，要是没有这些冲突交织，恐怕也不会演化出如此多彩多姿的生命世界了。
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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
