一群進化生物學家發(fā)現(xiàn)了顏色模式重復進化的遺傳基?

由阿克塞爾邁耶教授領(lǐng)導的康斯坦茨大學進化生物學家團隊發(fā)現(xiàn)了顏色模式反復進化的遺傳基礎(chǔ)。對檸檬科幾種東非魚類條紋的研究結(jié)果解釋了進化是如何以創(chuàng)紀錄的速度重演的。這項研究發(fā)表在10月26日的《科學》雜志上。

為什么進化會重演？在這些重復過程中，基因會發(fā)生什么？還是其他基因和機制可以產(chǎn)生看起來相似的生物？康斯坦茨大學的阿克塞爾邁耶教授和他的團隊接近回答這個問題，這個問題很重要，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和分子生物學的現(xiàn)代方法來確定這些條紋重復進化的基礎(chǔ)，并用帶有條紋的CRISPR-Cas突變魚進行驗證。

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?！暗@還不是全部，”阿克塞爾邁耶解釋道。“cichlid是進化的主要例子。它們在社會行為、體型、色彩圖案和許多其他生物上極其多樣，但同時，一些特征在不同的湖泊中?！边@種重復進化的原理——生物學家稱之為收斂進化——使慈鯛成為研究這一現(xiàn)象的遺傳基礎(chǔ)的完美目標。如果相似的顏色和形狀出現(xiàn)在幾條獨立的進化線上，這意味著進化以同樣的方式對相似的環(huán)境條件做出反應?，F(xiàn)在的問題是：當進化重演時，這在遺傳中是如何起作用的？

現(xiàn)在，在實驗室里，通過基因組分析、育種和實驗，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制在cichlid的條紋上起作用。邁耶斯教授團隊的早期專業(yè)研究員、科學研究的第一作者Claudius Kratochwil博士解釋說：“在育種實驗中，我們可以準確地確定22條染色體中的哪一條，甚至魚染色體的哪個區(qū)域，是條紋的基因指令。”與該染色體部分相關(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。從進化的角度來看，慈鯛的條紋相當不穩(wěn)定。在數(shù)百萬年的時間里，它們消失在非洲的湖泊中，并多次重現(xiàn)。因為這些物種(條紋和非條紋)太年輕了，它們可以在水族館里雜交。實驗室對條紋慈鯛和非條紋慈鯛的繁殖和檢驗表明，所有慈鯛都具有“條紋基因”。但是這個基因的開關(guān)(調(diào)控元件)是不同的。“這種基因轉(zhuǎn)化導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，條紋會被抑制，產(chǎn)量低，條紋會保留。研究人員可以通過現(xiàn)代基因方法證明這一點。“如果我們使用CRISPR-Cas從沒有條紋的物種的基因組中移除基因，”Kratochwil解釋說，“那么即使是“條紋”魚也會突然形成條紋，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“條紋抑制劑”:基因產(chǎn)量高，條紋會被抑制，產(chǎn)量低，條紋會保留。研究人員可以通過現(xiàn)代基因方法證明這一點?！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)。“條紋基因”agrp2充當“條紋抑制劑”:基因產(chǎn)量高，條紋會被抑制，產(chǎn)量低，條紋會保留。研究人員可以通過現(xiàn)代基因方法證明這一點?！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。研究人員可以通過現(xiàn)代基因方法證明這一點。“如果我們使用CRISPR-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。研究人員能夠通過使用現(xiàn)代遺傳方法證明這一點。“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，“那么即使是”無條紋“的魚也會突然形成條紋，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)于這種遺傳機制的最新發(fā)現(xiàn)，“條紋基因”對條紋的激活或失活，發(fā)表在最新一期的“科學”雜志上。雜志。有趣的是，慈鯛的agrp2基因是哺乳動物中agouti基因的拷貝，它負責貓，狗，馬和條紋幼鳥的不同毛色。“沒有agouti基因家族，動物的世界可能會少得多，”Claudius Kratochwil反映道。相對而言，慈鯛中“條紋基因”的機制顯然可以在最短的時間內(nèi)實現(xiàn)重復進化。如果特征在進化過程中丟失，通常這種損失是永遠的，因為比利時古生物學家路易斯多洛已經(jīng)在125年前就已經(jīng)實現(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單的方式重復演化特征。如果慈鯛丟失其條紋并不意味著它們永遠不會返回，反之亦然。這些分子生物學研究還表明，古生物學規(guī)則和進化規(guī)則必須再次受到質(zhì)疑。