由Axel Meyer教授領(lǐng)導(dǎo)的康斯坦茨大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了顏色模式重復(fù)演化的遺傳基礎(chǔ)。關(guān)于不同種類的東非麗魚科魚的條紋的發(fā)現(xiàn)解釋了進(jìn)化如何以創(chuàng)紀(jì)錄的速度重演。該研究于10月26日在“ 科學(xué) ”雜志上發(fā)表。

為什么進(jìn)化會重演?在這些重復(fù)過程中遺傳上會發(fā)生什么?相同或其他基因和機(jī)制會產(chǎn)生看起來相似的生物嗎?來自康斯坦茨大學(xué)的Axel Meyer教授和他的團(tuán)隊已經(jīng)接近回答這個問題了，這個問題已經(jīng)很重要了。答案非常驚人。他們研究了一種在各種動物中無處不在的特殊顏色圖案：橫條紋。研究人員能夠利用基因組學(xué)和分子生物學(xué)的現(xiàn)代方法確定這些條紋重復(fù)進(jìn)化的基礎(chǔ)，并用添加條紋的CRISPR-Cas突變體魚進(jìn)行驗(yàn)證。

在馬拉維，維多利亞和Tanganjika等非洲大湖中可以找到1200多種彩色麗魚。它們不僅顏色多樣，而且還有許多顏色圖案，如水平或垂直條紋。

“但這還不是全部，”Axel Meyer解釋道。“慈鯛是進(jìn)化的主要例子。它們在社會行為，體形，顏色模式和許多其他生物方面都極為多樣化，但與此同時，某些特征在湖泊之間不斷獨(dú)立演變。” 這種重復(fù)進(jìn)化的原理 - 生物學(xué)家稱它為收斂進(jìn)化 - 使慈鯛成為研究這種現(xiàn)象的遺傳基礎(chǔ)的完美目標(biāo)。如果相似的顏色和體形在幾個相互獨(dú)立的進(jìn)化線中出現(xiàn)，這意味著進(jìn)化以相同的方式對類似的環(huán)境條件作出反應(yīng)。但這種進(jìn)化重復(fù)如何在遺傳上發(fā)揮作用呢?

現(xiàn)在，在實(shí)驗(yàn)室通過基因組分析，育種和實(shí)驗(yàn)(包括CRISPR-Cas技術(shù))重建了哪種基因和哪種遺傳機(jī)制對慈鯛的條紋起作用。Clayers小姐，Meyers教授團(tuán)隊的早期職業(yè)研究員和科學(xué)研究的第一作者解釋說：“在育種實(shí)驗(yàn)中，我們可以準(zhǔn)確地確定22條染色體中的哪條，甚至在魚的染色體的哪個區(qū)域，條紋的遺傳指令位于。“

該染色體部分的相關(guān)基因稱為agrp2。這種“條紋基因”在其他非洲湖泊中的起源和分布在比較分子研究中有所描述。從進(jìn)化的角度來看，慈鯛的條紋是不穩(wěn)定的。在幾百萬年的過程中，它們已經(jīng)在非洲湖泊中丟失并重新出現(xiàn)多次。由于這些物種(有條紋和無條紋)如此年輕，它們可以在水族箱中雜交。

在實(shí)驗(yàn)室中育種和檢查有條紋和無條紋的慈鯛表明所有慈鯛都帶有“條帶基因”，但該基因的開關(guān)(調(diào)節(jié)元件)不同。這種遺傳開關(guān)使得沒有條紋的物種中的基因被更多地激活。結(jié)果，產(chǎn)生了大量蛋白質(zhì)。'條紋基因'agrp2作為'條紋抑制劑'起作用：如果基因產(chǎn)量高，條紋將被抑制，如果產(chǎn)量低，它們將保留。

研究人員能夠通過使用現(xiàn)代遺傳方法證明這一點(diǎn)。“如果我們使用CRISPR-Cas從沒有條紋的物種的基因組中去除基因，”Kratochwil解釋說，“那么即使是'無條紋'魚也會突然形成條紋，正如我們用CRISPR-Cas突變體魚所展示的那樣。條紋基因是決定性的遺傳因素。“

關(guān)于這種遺傳機(jī)制的最新發(fā)現(xiàn)，“條紋基因”對條紋的激活或失活，發(fā)表在最新一期的“ 科學(xué)”雜志上。有趣的是，慈鯛的agrp2基因是哺乳動物中agouti基因的拷貝，它負(fù)責(zé)貓，狗，馬和條紋幼鳥的不同毛色。

“沒有agouti基因家族，動物世界可能會少得多，”Claudius Kratochwil說。相對而言，慈鯛中“條紋基因”的機(jī)制顯然可以在最短的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)重復(fù)進(jìn)化。如果在進(jìn)化過程中失去特征，通常這種損失是永久性的，正如比利時古生物學(xué)家路易斯·多洛在125年前所認(rèn)識的那樣，并在1893年的“Dollos定律”中寫下了他的結(jié)論。條紋基因agrp2的特殊之處在于它使得以簡單的方式重復(fù)演變特征。如果慈鯛失去條紋，這并不意味著他們永遠(yuǎn)不會回來，反之亦然。這些分子生物學(xué)研究還表明，古生物學(xué)規(guī)則和進(jìn)化規(guī)則必須再次受到質(zhì)疑。