芝加哥大學(xué)的科學(xué)家創(chuàng)造了第一批含有重建古老基因的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物，他們用它們來(lái)測(cè)試過(guò)去發(fā)生在動(dòng)物生物學(xué)和健康方面的遺傳變化的進(jìn)化效應(yīng)。該研究于1月13日在線發(fā)表在“ 自然生態(tài)學(xué)與進(jìn)化”雜志上，是研究適應(yīng)和進(jìn)化遺傳基礎(chǔ)的重要一步。具體研究結(jié)果涉及果蠅在腐爛果實(shí)中分解酒精的能力，推翻了關(guān)于進(jìn)化生物學(xué)經(jīng)典適應(yīng)病例之一的分子原因的廣泛假設(shè)。

“現(xiàn)代進(jìn)化生物學(xué)的主要目標(biāo)之一是確定導(dǎo)致物種適應(yīng)新環(huán)境的基因，但很難直接做到這一點(diǎn)，因?yàn)槲覀儧](méi)有辦法測(cè)試古代基因?qū)?dòng)物生物學(xué)的影響“芝加哥大學(xué)生態(tài)與進(jìn)化系研究生Mo Siddiq說(shuō)，該研究的主要科學(xué)家之一。“我們意識(shí)到我們可以通過(guò)結(jié)合兩種最近開發(fā)的方法 - 古代基因序列的統(tǒng)計(jì)重建和轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的工程來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題，”他說(shuō)。

直到最近，大多數(shù)分子適應(yīng)研究已經(jīng)分析了基因序列以確定“選擇的特征” - 圖案表明基因在其進(jìn)化過(guò)程中變化如此之快以至于選擇可能是原因。然而，這種方法的證據(jù)只是間接的，因?yàn)榛蚩梢杂捎谠S多原因而快速進(jìn)化，例如偶然性，種群大小的波動(dòng)，或者選擇與有機(jī)體被認(rèn)為適應(yīng)的環(huán)境條件無(wú)關(guān)的功能。

Siddiq和他的顧問(wèn)，芝加哥大學(xué)生態(tài)學(xué)，進(jìn)化和人類遺傳學(xué)教授Joe Thornton博士希望直接測(cè)試基因進(jìn)化對(duì)適應(yīng)的影響。Thornton開創(chuàng)了重建祖先基因的方法 - 從現(xiàn)有序列的大型數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)確定其序列，然后合成它們并在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)驗(yàn)研究它們的分子特性。該策略已經(jīng)對(duì)生化功能發(fā)展的機(jī)制產(chǎn)生了重要的見解。

Thornton和Siddiq認(rèn)為，通過(guò)將祖先基因重建與工程轉(zhuǎn)基因動(dòng)物技術(shù)相結(jié)合，他們可以研究過(guò)去發(fā)生的遺傳變化如何影響整個(gè)生物 - 它們的發(fā)育，生理，甚至它們的適應(yīng)性。

“這種工程'祖先動(dòng)物'的策略可以應(yīng)用于許多進(jìn)化問(wèn)題，”桑頓說(shuō)。“對(duì)于第一個(gè)測(cè)試案例，我們選擇了一個(gè)經(jīng)典的適應(yīng)性例子 - 果蠅如何進(jìn)化出在腐爛的果實(shí)中發(fā)現(xiàn)的高酒精濃度下存活的能力。我們發(fā)現(xiàn)，關(guān)于果蠅進(jìn)化的分子原因的公認(rèn)智慧是完全錯(cuò)誤的“。

果蠅Drosophila melanogaster是遺傳學(xué)和進(jìn)化中研究最多的生物之一。在野外，黑腹果蠅生活在富含酒精的腐爛水果中，耐受的酒精濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最接近其他食物來(lái)源的親屬。二十五年前，在芝加哥大學(xué)，生物學(xué)家Martin Kreitman和John McDonald發(fā)明了一種新的統(tǒng)計(jì)方法，用于尋找選擇的特征，這種方法至今仍是分子進(jìn)化中最廣泛使用的方法之一。他們?cè)诰凭摎涿?Adh)基因上證明了這一點(diǎn)，該基因是從細(xì)胞群中分解酒精的酶的基因。Adh有一個(gè)強(qiáng)烈的選擇標(biāo)志，并且已經(jīng)知道D. melanogaster蒼蠅比他們的親戚更快地分解酒精。所以，

Siddiq和Thornton意識(shí)到這個(gè)假設(shè)可以直接使用新技術(shù)進(jìn)行測(cè)試。Siddiq首先推斷了古老的Adh基因的序列，這些基因來(lái)自D. melanogaster在大約兩到四百萬(wàn)年前進(jìn)化出乙醇耐受性之前和之后。他通過(guò)生物化學(xué)合成這些基因，表達(dá)它們，并使用生化方法測(cè)量它們?cè)谠嚬苤蟹纸饩凭哪芰?。結(jié)果令人驚訝：在黑腹果蠅進(jìn)化過(guò)程中發(fā)生的遺傳變化對(duì)蛋白質(zhì)的功能沒(méi)有可檢測(cè)的影響。

與威斯康星大學(xué)的合作者David Loehlin和內(nèi)布拉斯加大學(xué)的Kristi Montooth合作，Siddiq創(chuàng)造并鑒定了含有重建祖先形態(tài)的Adh的轉(zhuǎn)基因果蠅。他們飼養(yǎng)了數(shù)千只這些“祖先”的蒼蠅，測(cè)試了它們能夠多快地分解酒精，以及在高酒精含量的食物上飼養(yǎng)時(shí)幼蟲和成蟲的存活情況。令人驚訝的是，攜帶更新近的Adh的轉(zhuǎn)基因果蠅在代謝酒精方面并不比攜帶更古老形式的Adh的蒼蠅更好。更引人注目的是，他們沒(méi)有更好的能夠在增加酒精濃度的情況下生長(zhǎng)或生存。因此，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)故事的經(jīng)典版本的預(yù)測(cè)。毫無(wú)疑問(wèn)，D。

“Adh的故事被接受了，因?yàn)樯鷳B(tài)學(xué)，生理學(xué)和選擇的統(tǒng)計(jì)特征都指向了同一個(gè)方向。但是三行間接證據(jù)并沒(méi)有形成一個(gè)密不透風(fēng)的情況，”桑頓說(shuō)。“這就是為什么我們想直接測(cè)試這個(gè)假設(shè)，現(xiàn)在我們終于有辦法這樣做了。”

Siddiq和Thornton希望制造祖?zhèn)鬓D(zhuǎn)基因的策略將成為該領(lǐng)域的金標(biāo)準(zhǔn)，以決定性地確定基因的歷史變化，以及它們對(duì)生物體的生物學(xué)和適應(yīng)性的變化。

對(duì)于他來(lái)說(shuō)，仍然是UChicago生態(tài)學(xué)和進(jìn)化學(xué)教授的Kreitman一直支持這項(xiàng)新研究，幫助Siddiq就該項(xiàng)目提供建議并分享他關(guān)于分子進(jìn)化和果蠅遺傳學(xué)的豐富知識(shí)。

“從一開始，馬蒂就我們的實(shí)驗(yàn)感到興奮，當(dāng)我們的結(jié)果推翻基于他過(guò)去工作的眾所周知的結(jié)論時(shí)，他同樣支持他們，”Siddiq說(shuō)。“我認(rèn)為這非常鼓舞人心。”