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进化确实重演 进化如何让条纹来去匆匆

生活在大型非洲湖泊马拉维,维多利亚和Tanganjika的横条纹的五颜六色的慈鲷说明了重复(收敛)进化过程。

由Axel Meyer教授领导的康斯坦茨大学的进化生物学家团队发现了颜色模式反复演变的遗传基础。关于特别多种东非丽鱼科鱼类条纹的研究结果解释了进化如何以创纪录的速度重演。该研究于10月26日在“科学”杂志上发表。为什么进化会重演?在这些重复过程中遗传上会发生什么?相同或其他基因和机制会产生看起来相似的生物吗?来自康斯坦茨大学的Axel Meyer教授和他的团队已经接近回答这个问题,这个问题虽然重要,但仍然很重要。答案非常惊人。他们研究了一种在各种动物中无处不在的特殊颜色图案:横条纹。研究人员能够利用基因组学和分子生物学的现代方法确定这些条纹重复进化的基础,并用添加条纹的CRISPR-Cas突变体鱼进行验证。

在马拉维,维多利亚和Tanganjika等非洲大湖中可以找到1200多种彩色丽鱼。它们不仅颜色多样,而且还有许多颜色图案,如水平或垂直条纹。“但不是全部”,Axel Meyer解释说,“慈鲷是进化的主要例子。它们在社会行为,体形,颜色模式和许多其他生物方面都极为多样化,但与此同时,某些特征在不同的湖泊。“这种重复进化的原理 - 生物学家将其称为收敛进化 - 使得慈鲷成为研究这种现象的遗传基础的完美目标。如果相似的颜色和体形在几个相互独立的进化线中出现,则意味着进化以相同的方式对类似的环境条件作出反应。现在的问题是:当进化重演时,这是如何在遗传上发挥作用的?

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”,重建了哪种基因和哪种遗传机制对慈鲷的条纹起作用。Claudius Kratochwil博士,Meyers教授团队的早期职业研究员,也是科学研究的第一作者,解释说:“在育种实验中,我们可以准确地确定22条染色体中的哪条,即使在鱼的染色体的哪个区域,条纹的基因指令也位于其中。”该染色体部分的相关基因称为agrp2。这种“条纹基因”在其他非洲湖泊中的起源和分布在比较分子研究中有所描述。从进化的角度来看,慈鲷的条纹相当不稳定。在几百万年的过程中,它们已经在非洲湖泊中丢失并重新出现多次。由于这些物种(有条纹和无条纹)如此年轻,它们可以在水族箱中杂交。在实验室中育种和检查有条纹和无条纹的慈鲷表明所有慈鲷都带有“条纹基因”。但该基因的开关(调节元件)不同。“这种基因开关导致没有条纹的物种中的基因被激活。结果,产生大量蛋白质。”条纹基因“agrp2起”条纹抑制剂“的作用:如果基因产量高,条纹将是抑制,如果产量低,它们将保留。研究人员能够通过使用现代遗传方法证明这一点。“如果我们使用CRISPR-Cas从没有条纹的物种的基因组中去除基因,”Kratochwil解释说,“那么即使是“无条纹”的鱼也会突然形成条纹,正如我们用CRISPR-Cas突变体鱼所展示的那样。这证明条纹基因是决定性的遗传因素。“这种遗传开关使得没有条纹的物种中的基因被更多地激活。结果,产生了大量蛋白质。“条纹基因”agrp2作为“条纹抑制剂”起作用:如果基因产量高,条纹将被抑制,如果产量低,它们将保留。研究人员能够通过使用现代遗传方法证明这一点。“如果我们使用CRISPR-Cas从没有条纹的物种的基因组中去除基因,”Kratochwil解释说,“那么即使是”无条纹“的鱼也会突然形成条纹,正如我们用CRISPR-Cas突变体鱼所展示的那样。条纹基因是决定性的遗传因素。“这种遗传开关使得没有条纹的物种中的基因被更多地激活。结果,产生了大量蛋白质。“条纹基因”agrp2作为“条纹抑制剂”起作用:如果基因产量高,条纹将被抑制,如果产量低,它们将保留。研究人员能够通过使用现代遗传方法证明这一点。“如果我们使用CRISPR-Cas从没有条纹的物种的基因组中去除基因,”Kratochwil解释说,“那么即使是”无条纹“的鱼也会突然形成条纹,正如我们用CRISPR-Cas突变体鱼所展示的那样。条纹基因是决定性的遗传因素。“条纹将被抑制,如果产量低,它们将保留。研究人员能够通过使用现代遗传方法证明这一点。“如果我们使用CRISPR-Cas从没有条纹的物种的基因组中去除基因,”Kratochwil解释说,“那么即使是”无条纹“的鱼也会突然形成条纹,正如我们用CRISPR-Cas突变体鱼所展示的那样。条纹基因是决定性的遗传因素。“条纹将被抑制,如果产量低,它们将保留。研究人员能够通过使用现代遗传方法证明这一点。“如果我们使用CRISPR-Cas从没有条纹的物种的基因组中去除基因,”Kratochwil解释说,“那么即使是”无条纹“的鱼也会突然形成条纹,正如我们用CRISPR-Cas突变体鱼所展示的那样。条纹基因是决定性的遗传因素。“

关于这种遗传机制的最新发现,“条纹基因”对条纹的激活或失活,发表在最新一期的“科学”杂志上。杂志。有趣的是,慈鲷的agrp2基因是哺乳动物中agouti基因的拷贝,它负责猫,狗,马和条纹幼鸟的不同毛色。“如果没有agouti基因家族,动物世界可能会少得多,”Claudius Kratochwil反映道。相对而言,慈鲷中“条纹基因”的机制显然可以在最短的时间内实现重复进化。如果在进化过程中失去特征,通常这种损失是永恒的,因为比利时古生物学家路易斯多洛已经在125年前就已经实现了,并在1893年的“玩偶法”中写下了他的结论。条纹基因agrp2的特殊方面是它以简单的方式使特征的重复演变成为可能。如果慈鲷失去条纹并不意味着它们永远不会返回,反之亦然。这些分子生物学研究还表明,古生物学规则和进化规则必须再次受到质疑。

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