生物學家在新特性進化過程中發現一種遺傳機制

馬薩諸塞大學阿默斯特分校(University of Massachusetts Amherst)的發育生物學家克雷格艾伯森(Craig Albertson)說，生物學家長期以來一直在爭論，新特性的進化是否需要新基因的進化，或者它們是否能簡單地從現有遺傳途徑的招募中產生。「新特性從何而來？」這個問題已經存在了幾個世紀，但我們真的只有10年或20年的時間來解決它。」他們需要劇烈的基因組變化，還是更多的是修修補補?現在研究生Moira Conith在非洲的cichlid魚身上進行了一組「優雅的實驗」。

一種非洲的cichlid魚，鼻子特別大。在PNAS上，UMass Amherst生物學家提供的證據表明，這種性狀的進化部分是由於增加了現有基因網路核心成員的表達。它的鼻子掛在它的上顎和牙齒上，幫助它們從岩石中撬出堅韌的海藻。圖片：UMass Amherst

實驗結果支持了一種觀點，即新的特性可以來自於不斷擴展的基因調控模塊，而這些模塊一直存在於生物體中。詳情刊登在《美國國家科學院院刊》上。艾伯森指出：雖然已經在無脊椎動物身上證實了現有分子通路的存在，但在脊椎動物身上卻鮮有發現。」「我們現在有確鑿的證據表明，這種奇怪的特性的進化，至少在一定程度上是由於增加了現有基因網路核心成員的表達。」在這種情況下，這種奇怪的特徵是一個巨大的鼻子，它掛在魚的上顎和牙齒上，幫助這些魚從岩石中撬出堅韌的絲狀海藻。

研究人員表示，cichlid口鼻是由兩個組織組成的:連接上頜骨左右兩側的上頜間韌帶，以及覆蓋著疏鬆結締組織。在所有的纖毛中都有韌帶，但在有超大型鼻部的魚中，這些組織被大量的精心設計和纏繞，韌帶固定在皮膚上，形成了一種獨特的韌帶-上皮複合體。韌帶通常連接骨骼，這種獨特的解剖結構可能是這些動物進食的重要特徵。他進一步推測韌帶有助於鼻子的硬化。當這些魚進食的時候，它們會把鼻子貼在湖底，從湖底伸出它們的下顎，吞下一大口海藻，然後當它們的下顎縮回它們的頭骨時，把岩石上的海藻撕下來。所有這些都可以在魚不需要移動它們的身體的情況下發生，這意味著與沒有大嘴巴的魚相比，它們可以以更少的能量進食。

懷疑一個候選基因調控網路被認為與韌帶發展包括轉化生長因子β(Tgfβ)通路和Scleraxis(Scx)轉錄因子,預示和Conith設計一組實驗,涉及蛋白質操縱、基因表達和基因映射。這些因素不僅表達了上級在魚大的鼻子，但實驗操縱Tgfβ信號在魚沒有鼻子能充分生長厚韌帶和大的鼻子。研究人員利用基因映射的特定突變是否會導致鼻子腫大的發展是與Tgfβ通路成員。事實證明他們是這樣的。雖然我們沒有發現強有力的證據支持的突變或Tgfβ周圍工作的細胞之間的信號,我們做通路成員細胞內工作。我們的基因圖譜研究表明，與韌帶相關的轉錄因子scx，以及被稱為smad的信號感測器，可以轉錄或『打開』scx。

此外，基因圖譜顯示了一種名為Adam12的蛋白質，此前從未被證明與韌帶形成有關，這一結果在斑馬魚的模型中得到了證實，他補充道。綜上所述,實驗由美國國家科學基金會資助,支持假設Adam12-Tgfβ-Scx韌帶發展途徑是一個預先存在的基因模塊的招募這些魚類進化的大的鼻子。Tgfβ-Scx途徑而言,它是已知參與韌帶和肌腱發展。基本上我們所展示的是進化的這種跳躍是由於簡單地啟動了這個發展路徑。這是一個相對簡單的分子變化，導致了相當複雜的表型，對於亞當12，我們在韌帶形成方面提供了一個全新的球員，所以通過研究這個奇怪的特點，我們學到了一些新的東西，應該是社區普遍感興趣的。

博科園-科學科普｜參考期刊：美國國家科學院院刊｜來自：馬薩諸塞大學阿默斯特分校

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