研究解釋了蛇是如何失去四肢的

蛇和蜥蜴是穿山甲目的爬行動(dòng)物。它們有幾個(gè)共同的特征，但在一個(gè)明顯的方面有所不同：蛇沒(méi)有四肢。這兩個(gè)子序列在一億多年前就開始分化了。

鑒定參與這種肢體缺失的遺傳因素是文章《Julinian Gusson Roscito和Nature Communications的合作者發(fā)表的文章》的重點(diǎn)“表型缺陷與進(jìn)化中基因調(diào)控景觀的廣泛分歧有關(guān)”。

這篇文章的另一個(gè)同樣有趣的焦點(diǎn)是一些地下哺乳動(dòng)物的眼睛退化。

“我們研究這兩個(gè)案例是為了了解更普遍的過(guò)程，即進(jìn)化過(guò)程中基因組的變化是如何導(dǎo)致表型變化的，”Roscito說(shuō)。

羅斯基托目前是德國(guó)德累斯頓馬克斯普朗克分子細(xì)胞生物學(xué)和遺傳學(xué)研究所的研究員。他曾在巴西擔(dān)任博士后研究員，并在圣保羅研究基金會(huì)-FAPESP的支持下在國(guó)外實(shí)習(xí)。她的博士后獎(jiǎng)學(xué)金與主題項(xiàng)目“新熱帶爬行動(dòng)物和兩棲動(dòng)物的地理比較系統(tǒng)、系統(tǒng)發(fā)生、古氣候模擬和分類學(xué)”有關(guān)，其中米格爾特雷福特烏爾班諾羅德里格斯是FAPESP生物區(qū)系FAPESP生物多樣性表征和保護(hù)研究項(xiàng)目的主要研究員。

羅德里格斯是巴西圣保羅大學(xué)生物科學(xué)研究所(IB-USP)的正教授，負(fù)責(zé)監(jiān)督rossitto的博士后研究。他也是最近發(fā)表的文章的合著者。

“這項(xiàng)研究包括調(diào)查幾種脊椎動(dòng)物的基因組，包括識(shí)別僅在蛇或地下哺乳動(dòng)物中發(fā)生變化，但在其他沒(méi)有失去四肢或正常眼睛的物種中保持不變的基因組區(qū)域，”Roscito說(shuō)。

在視覺系統(tǒng)退化的哺乳動(dòng)物中，我們知道有幾個(gè)基因已經(jīng)丟失，比如與眼睛晶狀體和視網(wǎng)膜感光細(xì)胞相關(guān)的基因。這些基因在進(jìn)化過(guò)程中經(jīng)歷了突變。最終，它們完全失去了功能，也就是編碼蛋白質(zhì)的能力。但這并不是發(fā)生在蛇身上的情況，蛇沒(méi)有失去與肢體形成相關(guān)的基因。更準(zhǔn)確地說(shuō)，對(duì)一條蛇的基因組進(jìn)行測(cè)序的研究確實(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)基因的缺失，但只是一個(gè)。因此，我們?cè)谘芯恐羞x擇的方法不是研究基因，而是研究調(diào)節(jié)基因表達(dá)的元素。

基因表達(dá)依賴于基因所含信息的調(diào)節(jié)元件被轉(zhuǎn)錄成RNA(核糖核酸)，然后轉(zhuǎn)化成蛋白質(zhì)。這一過(guò)程受順式調(diào)節(jié)元件(CREs)的調(diào)節(jié)，CreS是它們所調(diào)節(jié)的基因附近的DNA中的核苷酸序列。CREs控制著基因表達(dá)的時(shí)空和數(shù)量模式。

“調(diào)節(jié)元件可以激活或抑制某個(gè)基因在生物體某個(gè)部位(如四肢)的表達(dá)，而不同的調(diào)節(jié)元件可以激活或抑制同一基因在不同部位的表達(dá)。例如，如果基因丟失，它將不再在兩個(gè)地方表達(dá)，這往往會(huì)對(duì)生物體的形成產(chǎn)生負(fù)面影響。

然而，如果只有一個(gè)調(diào)控元件缺失，表達(dá)可能在一個(gè)部分消失，在另一個(gè)部分保守，”Roscito解釋說(shuō)。

泰古蜥蜴

從計(jì)算的角度來(lái)看，CREs不像基因那樣容易識(shí)別?；蛴幸粋€(gè)特征語(yǔ)法，堿基對(duì)顯示基因的起始和終止位置。CRE不是這樣，所以必須間接識(shí)別。這種鑒定通?；谠S多不同物種的DNA序列的保守性。

“為了檢測(cè)蛇體內(nèi)特定序列的差異，有必要將蛇的基因組與各種爬行動(dòng)物和其他發(fā)育完全的脊椎動(dòng)物的基因組進(jìn)行比較。四肢發(fā)育良好的爬行動(dòng)物的基因組序列很少，因此我們對(duì)全肢蜥蜴tegu (Salvator merianae)的基因組進(jìn)行了測(cè)序和組裝。這是有史以來(lái)第一個(gè)teiid譜系物種測(cè)序，”作者說(shuō)。

“以tegu基因組為參考，我們創(chuàng)建了幾個(gè)物種的基因組比較，包括兩條蛇(蟒蛇和蟒蛇)、另外三種有四肢的爬行動(dòng)物(綠蜥蜴、龍蜥蜴和壁虎)、三只鳥、鱷魚、三只烏龜、14種哺乳動(dòng)物、一只青蛙和一只腔棘魚。這29個(gè)基因組的比對(duì)被用作所有進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)?！?

研究人員已經(jīng)確定了5000多個(gè)脫氧核糖核酸區(qū)域，這些區(qū)域被認(rèn)為是幾個(gè)物種中的候選調(diào)節(jié)元件。然后，他們用文中詳細(xì)描述的巧妙技術(shù)方案搜索了大型數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得了一組CRE，其突變可能導(dǎo)致蛇的祖先四肢消失。

“一些研究涉及一個(gè)眾所周知的調(diào)節(jié)因子，它調(diào)節(jié)一個(gè)基因，當(dāng)它被修飾時(shí)，會(huì)導(dǎo)致肢體的各種缺陷。蛇在這個(gè)CRE中有突變。在2016年發(fā)表的一項(xiàng)研究中，老鼠CRE被蛇蟲取代，這是可能導(dǎo)致蛇斷肢機(jī)制的功能證明。然而，這種CRE只是控制肢體形成的幾個(gè)基因之一的調(diào)節(jié)元件之一，”Roscito說(shuō)。

“我們的研究擴(kuò)大了一批cre。我們發(fā)現(xiàn)，其他負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)許多基因的調(diào)節(jié)元件在蛇中發(fā)生了突變。簽名更全面。整個(gè)信號(hào)級(jí)聯(lián)受到影響?！?

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