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Science:摇蚊新基因能快速夺权

芝加哥大学的科学家们发现,在早期胚胎发育过程中,新生基因能够快速夺取对基础功能的控制权。他们发现的这个基因只存在于一类特殊的摇蚊中,决定着胚胎发育时头尾模式的形成。研究表明,基础生物过程在遗传学上的进化改变,比人们之前想象的更加频繁。


芝加哥大学副教授Urs Schmidt-Ott说“在摇蚊中,驱动胚胎极性的基因并不保守,进化替代事件(evolutionary replacement)一点也不罕见,新基因控制早期发育通路的频率远远高于我们的预期。”


在果蝇及其近亲中,bicoid基因决定胚胎的哪一端发育成为头哪一端成为尾。不过,绝大多数蚊蝇缺乏bicoid,人们并不清楚它们是怎样建立头-尾极性的。之前的摇蚊研究发现,用紫外线或者RNase处理胚胎前部,会使胚胎形成两个尾部而缺乏头部,这说明头部形成受到局部RNA的控制。


Schmidt-Ott领导研究团队分析和比较了摇蚊胚胎前部和后部的基因表达水平,鉴定了头-尾极性形成所必需的一个特殊基因,panish。如果这个基因被沉默,早期摇蚊胚胎就会发展成两个尾部,添加panish基因产物可以使这些胚胎恢复正常。


虽然panish和bicoid功能基本相同,但它们的结构并无关连,而且存在于完全不同的物种中。这两个基因都能调控与结构模式有关的基因,只不过panish起抑制作用,bicoid起激活作用。


研究人员发现,panish并不存在于摇蚊以外的蚊蝇中,说明这是一个获得了调控头-尾极性功能的新生基因。他们还分析了bicoid的出现频率,发现这个基因在进化过程中频繁发生丢失或大幅改变。


头尾模式的形成在早期胚胎发育中是非常重要的,但控制这一过程的基因在蚊蝇中并不保守,常会被新生基因取代。这一发现开辟了许多新的研究方向,比如基因是如何担任新角色的,这类事件为何如此频繁,它们有什么共同的特征。Schmidt-Ott及其同事就这些问题展开了进一步的研究。


“新生基因能够在短时间内夺取对基础过程的控制权,这非常惊人,”Schmidt-Ott说。“我们已经发现了四个这样的事件,这很可能只是‘冰山一角’。”


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