一群進(jìn)化生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了顏色模式重復(fù)進(jìn)化的遺傳基?

由阿克塞爾邁耶教授領(lǐng)導(dǎo)的康斯坦茨大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了顏色模式反復(fù)進(jìn)化的遺傳基礎(chǔ)。對(duì)檸檬科幾種東非魚類條紋的研究結(jié)果解釋了進(jìn)化是如何以創(chuàng)紀(jì)錄的速度重演的。這項(xiàng)研究發(fā)表在10月26日的《科學(xué)》雜志上。

為什么進(jìn)化會(huì)重演？在這些重復(fù)過(guò)程中，基因會(huì)發(fā)生什么？還是其他基因和機(jī)制可以產(chǎn)生看起來(lái)相似的生物？康斯坦茨大學(xué)的阿克塞爾邁耶教授和他的團(tuán)隊(duì)接近回答這個(gè)問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題很重要，但仍然很重要。答案很神奇。他們研究了一種在各種動(dòng)物中普遍存在的特殊顏色圖案：水平條紋。研究人員可以利用基因組學(xué)和分子生物學(xué)的現(xiàn)代方法來(lái)確定這些條紋重復(fù)進(jìn)化的基礎(chǔ)，并用帶有條紋的CRISPR-Cas突變魚進(jìn)行驗(yàn)證。

在馬拉維、維多利亞和坦甘吉卡等非洲湖泊中，可以發(fā)現(xiàn)1200多種色彩斑斕的美麗魚類。它們不僅色彩豐富，而且有許多彩色圖案，如水平或垂直條紋。“但這還不是全部，”阿克塞爾邁耶解釋道。“cichlid是進(jìn)化的主要例子。它們?cè)谏鐣?huì)行為、體型、色彩圖案和許多其他生物上極其多樣，但同時(shí)，一些特征在不同的湖泊中?！边@種重復(fù)進(jìn)化的原理——生物學(xué)家稱之為收斂進(jìn)化——使慈鯛成為研究這一現(xiàn)象的遺傳基礎(chǔ)的完美目標(biāo)。如果相似的顏色和形狀出現(xiàn)在幾條獨(dú)立的進(jìn)化線上，這意味著進(jìn)化以同樣的方式對(duì)相似的環(huán)境條件做出反應(yīng)?，F(xiàn)在的問(wèn)題是：當(dāng)進(jìn)化重演時(shí)，這在遺傳中是如何起作用的？

現(xiàn)在，在實(shí)驗(yàn)室里，通過(guò)基因組分析、育種和實(shí)驗(yàn)，包括CRISPR-Cas作為“基因剪刀”，我們已經(jīng)重建了哪些基因和哪些遺傳機(jī)制在cichlid的條紋上起作用。邁耶斯教授團(tuán)隊(duì)的早期專業(yè)研究員、科學(xué)研究的第一作者Claudius Kratochwil博士解釋說(shuō)：“在育種實(shí)驗(yàn)中，我們可以準(zhǔn)確地確定22條染色體中的哪一條，甚至魚染色體的哪個(gè)區(qū)域，是條紋的基因指令?！迸c該染色體部分相關(guān)的基因稱為agrp2。這種“條紋基因”在其他非洲湖泊中的起源和分布已經(jīng)在比較分子研究中有所描述。從進(jìn)化的角度來(lái)看，慈鯛的條紋相當(dāng)不穩(wěn)定。在數(shù)百萬(wàn)年的時(shí)間里，它們消失在非洲的湖泊中，并多次重現(xiàn)。因?yàn)檫@些物種(條紋和非條紋)太年輕了，它們可以在水族館里雜交。實(shí)驗(yàn)室對(duì)條紋慈鯛和非條紋慈鯛的繁殖和檢驗(yàn)表明，所有慈鯛都具有“條紋基因”。但是這個(gè)基因的開關(guān)(調(diào)控元件)是不同的?！斑@種基因轉(zhuǎn)化導(dǎo)致沒有條紋的物種的基因被激活。因此，產(chǎn)生了大量的蛋白質(zhì)?！被颉癮grp2”起“條紋抑制劑”的作用：基因產(chǎn)量高，條紋會(huì)被抑制，產(chǎn)量低，條紋會(huì)保留。研究人員可以通過(guò)現(xiàn)代基因方法證明這一點(diǎn)?！叭绻覀兪褂肅RISPR-Cas從沒有條紋的物種的基因組中移除基因，”Kratochwil解釋說(shuō)，“那么即使是“條紋”魚也會(huì)突然形成條紋，就像我們用CRISPR-Cas突變魚所展示的那樣。這證明了條紋基因是決定性的遺傳因素?！边@種基因轉(zhuǎn)換使得沒有條紋的物種的基因更加活躍。結(jié)果，產(chǎn)生了大量的蛋白質(zhì)?！皸l紋基因”agrp2充當(dāng)“條紋抑制劑”:基因產(chǎn)量高，條紋會(huì)被抑制，產(chǎn)量低，條紋會(huì)保留。研究人員可以通過(guò)現(xiàn)代基因方法證明這一點(diǎn)?！叭绻覀兪褂肅RISPR-Cas從沒有條紋的物種的基因組中移除基因，”Kratochwil解釋道，“那么即使是沒有條紋的魚也會(huì)突然形成條紋，就像我們用CRISPR-Cas突變魚展示的那樣。條紋基因是決定性的遺傳因素?！边@種基因轉(zhuǎn)換使得沒有條紋的物種的基因更加活躍。結(jié)果，產(chǎn)生了大量的蛋白質(zhì)?！皸l紋基因”agrp2充當(dāng)“條紋抑制劑”:基因產(chǎn)量高，條紋會(huì)被抑制，產(chǎn)量低，條紋會(huì)保留。研究人員可以通過(guò)現(xiàn)代基因方法證明這一點(diǎn)?！叭绻覀兪褂肅RISPR-Cas從沒有條紋的物種的基因組中移除基因，”Kratochwil解釋道，“那么即使是沒有條紋的魚也會(huì)突然形成條紋，就像我們用CRISPR-Cas突變魚展示的那樣。條紋基因是決定性的遺傳因素?！睏l紋將被抑制，如果輸出較低，它們將保留。研究人員可以通過(guò)現(xiàn)代基因方法證明這一點(diǎn)?！叭绻覀兪褂肅RISPR-Cas從沒有條紋的物種的基因組中移除基因，”Kratochwil解釋道，“那么即使是沒有條紋的魚也會(huì)突然形成條紋，就像我們用CRISPR-Cas突變魚展示的那樣。條紋基因是決定性的遺傳因素?！睏l紋將被抑制，如果

產(chǎn)量低，它們將保留。研究人員能夠通過(guò)使用現(xiàn)代遺傳方法證明這一點(diǎn)。“如果我們使用CRISPR-Cas從沒有條紋的物種的基因組中去除基因，”Kratochwil解釋說(shuō)，“那么即使是”無(wú)條紋“的魚也會(huì)突然形成條紋，正如我們用CRISPR-Cas突變體魚所展示的那樣。條紋基因是決定性的遺傳因素。“

關(guān)于這種遺傳機(jī)制的最新發(fā)現(xiàn)，“條紋基因”對(duì)條紋的激活或失活，發(fā)表在最新一期的“科學(xué)”雜志上。雜志。有趣的是，慈鯛的agrp2基因是哺乳動(dòng)物中agouti基因的拷貝，它負(fù)責(zé)貓，狗，馬和條紋幼鳥的不同毛色。“沒有agouti基因家族，動(dòng)物的世界可能會(huì)少得多，”Claudius Kratochwil反映道。相對(duì)而言，慈鯛中“條紋基因”的機(jī)制顯然可以在最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)重復(fù)進(jìn)化。如果特征在進(jìn)化過(guò)程中丟失，通常這種損失是永遠(yuǎn)的，因?yàn)楸壤麜r(shí)古生物學(xué)家路易斯多洛已經(jīng)在125年前就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，并在1893年的“玩偶法”中寫下了他的結(jié)論。條紋基因agrp2的特殊方面是它以簡(jiǎn)單的方式重復(fù)演化特征。如果慈鯛丟失其條紋并不意味著它們永遠(yuǎn)不會(huì)返回，反之亦然。這些分子生物學(xué)研究還表明，古生物學(xué)規(guī)則和進(jìn)化規(guī)則必須再次受到質(zhì)疑。