一群进化生物学家发现了颜色模式反复进化的遗传基础

由阿克塞尔迈耶教授领导的康斯坦茨大学进化生物学家团队发现了颜色模式反复进化的遗传基础。对东非一种特殊鱼类条纹的研究结果解释了进化是如何以创纪录的速度重演的。这项研究发表在10月26日的《科学》杂志上。

为什么进化会自我重复？在这些重复过程中，基因发生了什么变化？相同或其他基因和机制会产生看起来相似的生物吗？康斯坦茨大学的Axel Meyer教授和他的团队已经接近回答这个问题了。虽然重要，但依然重要。答案很神奇。他们研究了一种在各种动物中普遍存在的特殊颜色图案：水平条纹。研究人员可以利用基因组学和分子生物学的现代方法来确定这些条纹重复进化的基础，并用带有条纹的CRISPR-Cas突变鱼进行验证。

在马拉维、维多利亚、坦甘吉卡等非洲五大湖，可以找到1200多种色彩斑斓的美丽鱼类。它们不仅色彩丰富，而且有许多彩色图案，如横条纹或竖条纹。“但这还不是全部，”阿克塞尔迈耶解释道。“慈鲷是进化的主要例子。它们在社会行为、身体形状、颜色模式和许多其他生物方面极其多样，但同时，一些特征在不同的湖泊中。”这种重复进化的原则——生物学家称之为趋同进化——使慈鲷成为研究这一现象遗传基础的完美目标。如果相似的颜色和体型出现在几条独立的进化线上，就说明进化以同样的方式对相似的环境条件做出反应。现在的问题是：当进化自我重复时，这在基因上是如何起作用的？

现在，在实验室中，通过基因组分析、育种和实验，包括CRISPR-Cas作为“基因剪刀”，我们已经重构了哪些基因和哪些遗传机制作用于慈鲷的条纹。迈耶斯教授团队中的早期专业研究人员、科学研究的第一作者克劳狄乌斯克拉托赫维尔(Claudius Kratochwil)博士解释说：“在育种实验中，我们可以准确地确定22条染色体中的哪一条，甚至是鱼染色体的哪一个区域，是条纹的基因指令。”这个染色体部分的相关基因叫做agrp2。在比较分子研究中描述了这种“条纹基因”在非洲其他湖泊中的起源和分布。从进化的角度来看，慈鲷的条纹是相当不稳定的。在数百万年的过程中，它们消失在非洲湖泊中，并多次重现。因为这些物种(条纹的和非条纹的)非常年轻，它们可以在水族馆里杂交。实验室对条纹和非条纹慈鲷的饲养和检验表明，所有慈鲷都携带“条纹基因”。但是这个基因的开关(调控元件)是不同的。“这种基因转化导致没有条纹的物种的基因被激活。结果，产生了大量蛋白质。”条纹基因“agrp2”起到了“条纹抑制剂”的作用：如果基因产量高，条纹就会被抑制，产量低，条纹就会保留。研究人员可以通过使用现代遗传学方法来证明这一点。“如果我们使用CRISPR-Cas从没有条纹的物种的基因组中移除基因，”Kratochwil解释道，“那么即使是一条“有条纹”的鱼也会突然形成条纹，正如我们在CRISPR-Cas突变鱼中显示的那样。这证明条纹基因是决定性的遗传因素。”这种基因开关使得没有条纹的物种中的基因更加活跃。结果，产生了大量蛋白质。“条纹基因”agrp2起到了“条纹抑制剂”的作用：如果基因产量高，条纹就会被抑制，如果基因产量低，条纹就会保留下来。研究人员可以通过使用现代遗传学方法来证明这一点。“如果我们使用CRISPR-Cas从没有条纹的物种的基因组中移除基因，”Kratochwil解释说，“那么即使没有条纹的鱼也会突然形成条纹，正如我们用CRISPR-Cas突变鱼展示的那样。条纹基因是决定性的遗传因素。”这种基因开关使得没有条纹的物种中的基因更加活跃。结果，产生了大量蛋白质。“条纹基因”agrp2起到了“条纹抑制剂”的作用：如果基因产量高，条纹就会被抑制，如果基因产量低，条纹就会保留下来。研究人员可以通过使用现代遗传学方法来证明这一点。“如果我们使用CRISPR-Cas从没有条纹的物种的基因组中移除基因，”Kratochwil解释说，“那么即使没有条纹的鱼也会突然形成条纹，正如我们用CRISPR-Cas突变鱼展示的那样。条纹基因是决定性的遗传因素。”条纹会被抑制，如果良率低，就会保留。研究人员可以通过使用现代遗传学方法来证明这一点。“如果我们使用CRISPR-Cas从没有条纹的物种的基因组中移除基因，”Kratochwil解释说，“那么即使没有条纹的鱼也会突然形成条纹，正如我们用CRISPR-Cas突变鱼展示的那样。条纹基因是决定性的遗传因素。”条纹会被抑制，如果良率低，就会保留。研究人员可以通过使用现代遗传学方法来证明这一点。“如果我们使用CRISPR-Cas从没有条纹的物种的基因组中移除基因，”Kratochwil解释说，“那么即使没有条纹的鱼也会突然形成条纹，正如我们用CRISPR-Cas突变鱼展示的那样。条纹基因是决定性的遗传因素。”

这一遗传机制的最新发现——条纹基因对条纹的激活或失活，发表在最新一期《科学》杂志上。杂志有趣的是，慈鲷的agrp2基因是哺乳动物agouti基因的副本，它负责猫、狗、马和条纹小鸡的不同毛色。“如果没有agouti基因家族，动物世界将会少得多，”Claudius Kratochwil反思道。相对而言，慈鲷的“条纹基因”机制显然可以在最短的时间内实现重复进化。如果在进化过程中丧失了特征，那么这种丧失通常是永久性的，因为比利时古生物学家路易斯多洛(Louis Dolo)在125年前就意识到了这一点，并在1893年将他的结论写在了“玩偶定律”中。条纹基因agrp2的特殊之处在于，它以简单的方式重复了自己的进化特征。慈鲷如果失去了条纹，并不代表它们永远不会回来，反之亦然。这些分子生物学研究还表明，古生物学和进化的规则必须再次受到质疑。

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