猶他大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種果蠅相互交配時，長期尋找的“雜交不育基因”負(fù)責(zé)死亡或不育后代。這一發(fā)現(xiàn)揭示了導(dǎo)致新物種形成的遺傳和分子過程，并可能為癌癥的發(fā)展提供線索。“我們幾十年前就知道應(yīng)該存在類似這種基因的東西，我們的方法最終使我們能夠識別它，”生物學(xué)家Nitin Phadnis說道，該研究的主要作者今天發(fā)表在“ 科學(xué) ”雜志上。

一個物種的定義是它不能與另一個物種成功繁殖，因此“了解物種形成就是了解這些生殖障礙是如何進(jìn)化的，”他說。“當(dāng)有障礙阻止它們相互繁殖時，你稱之為新物種。鑒定這些基因并揭示雜交不育或死亡的分子基礎(chǔ)是了解新物種如何進(jìn)化的關(guān)鍵，并且仍然是新物種發(fā)展中的一個重要問題。自達(dá)爾文以來的生物學(xué)。“

令人驚訝的是，使果蠅雜交不可變的基因 - 命名為gfzf - 是一種“細(xì)胞周期調(diào)控基因”或“細(xì)胞周期檢查點(diǎn)基因”，如果檢測到缺陷，通常會阻止細(xì)胞分裂和復(fù)制。但是當(dāng)在新研究中突變和禁用時，該基因允許兩種果蠅的雄性雜種的存活。

該gfzf基因進(jìn)化快，這是生物學(xué)家從混合不能生存的基因預(yù)期。但也是一個驚喜，因?yàn)榧?xì)胞周期檢查點(diǎn)基因通常進(jìn)化緩慢，因?yàn)樗鼈兪谴蠖鄶?shù)生物必需的“保守”基因。

Phadnis說，這和gfzf導(dǎo)致果蠅雜交中死亡或不育的發(fā)現(xiàn)“在癌癥生物學(xué)中非常重要”。“癌癥生物學(xué)家對細(xì)胞周期檢查點(diǎn)很感興趣，因?yàn)楫?dāng)病情惡化[并且細(xì)胞不受控制地擴(kuò)散]時你就會感染癌癥。生物學(xué)家希望了解機(jī)器。這項(xiàng)工作表明，細(xì)胞周期監(jiān)管機(jī)制中的一些組成部分可能正在快速變化“。

Phadnis及其同事必須克服幾個技術(shù)障礙，將gfzf鑒定為物種形成基因，他推測使用類似的技術(shù)可能表明“這種過程在許多其他物種中可能是重要的”。

兩個果蠅的故事

這項(xiàng)新研究涉及兩種密切相關(guān)的果蠅種類：果蠅(Drosophila melanogaster)和果蠅(Drosophila simulans)。Phadnis說，兩種果蠅都有近兩萬年的歷史。Phadnis說這項(xiàng)新研究“成功地解決了物種形成遺傳學(xué)中最著名的案例之一”，即為什么這兩個物種的雜交后代不可行。

Phadnis說，自1910年以來，遺傳學(xué)家一直在尋找果蠅不可侵犯基因，當(dāng)時他們首次注意到這兩個物種之間的雜交已經(jīng)死亡。

在過去的十年中，其他科學(xué)家發(fā)現(xiàn)并暗示了兩種其他基因，這兩種基因在兩種果蠅物種交配時會導(dǎo)致死亡或不育后代：一種名為Lhr(致死性雜交拯救)的D. simulans基因和一種名為D. melanogaster的基因。Hmr(混合男性救援)。如果任一基因不存在，雜種雄性存活。但有證據(jù)表明，第三種未知基因也需要使雜交種死亡或無菌。

Phadnis說，當(dāng)一個物種的兩個種群分離時(通常是地理上)，新物種會進(jìn)化，然后“基因組中的某些東西發(fā)生變化，以至于當(dāng)它們以前曾經(jīng)兼容時，現(xiàn)在它們的混合物就會失效。”

他說，鑒定雜種不育基因非常困難。遺傳學(xué)通常涉及育種以鑒定導(dǎo)致特定功能或故障的基因。但如果雜交種死亡或不育，那就不起作用了。

此外，遺傳研究工具是為D. melanogaster設(shè)計(jì)的- 遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用的果蠅 - 不適用于D. simulans，早期的研究表明它攜帶新發(fā)現(xiàn)的基因。最后，新鑒定的雜種不可變基因的天然存在的突變體不能在天然蠅種群中分離和鑒定。

Phadnis說，因此“通過扭轉(zhuǎn)兩種果蠅之間的雜交不相容性，并利用其遺傳藍(lán)圖的新一代測序，我們找到了一種回避傳統(tǒng)障礙的方法”。

繁殖突變雄性雜交果蠅活著

Phadnis及其同事喂養(yǎng)了55,000只雄性D. simulans果蠅一種引起突變的化學(xué)物質(zhì)，交配突變D. simulans雄性與正常的D. melanogaster雌性，然后確定哪些突變基因允許一些雄性雜種生存。所有雜種雄性通常在從幼蟲到蛹的過渡期間死亡，因此它們永遠(yuǎn)不會成為成蟲。

由此產(chǎn)生的后代包括300,000只雜交雌性 - 它們是無菌但活著的 - 只有32只活的雄性雜種，也是不育的。只有6只活的雄性雜交種存活，因?yàn)橥蛔儗?dǎo)致尚未鑒定的雜種不育基因失效，因此其他26只未被分析。

然后，研究人員對這六只雄性雜交果蠅和兩種親本果蠅的基因組或基因藍(lán)圖進(jìn)行了測序。然后，他們將六種活雜交雄性的基因組的D. simulans部分與D. simulans親蠅的非突變菌株的基因組進(jìn)行比較。這使得Phadnis及其同事能夠識別六個活雜種雄性中每一個的600到1,200個新突變。

在Phadnis所說的“令人驚訝的清潔結(jié)果”中，研究人員發(fā)現(xiàn)只有一個D. simulans果蠅基因在所有六個活雜種雄性中都是突變體：第三個染色體上的基因名為gfzf。因此，來自D. simulans的gfzf基因是雜交不變性基因，通常有助于殺死雜交雄性，但允許它們在被突變沉默時存活。

研究人員還不知道gfzf基因在分子水平上的正常作用，但Phadnis計(jì)劃接下來研究它。他還計(jì)劃研究當(dāng)兩種果蠅物種交配時是否有更多的基因參與后代的遺傳。為什么存在使雜交種存在的基因存在?自然選擇不應(yīng)隨著時間的推移消除它嗎?Phadnis說這些基因被選中用于其他一些特征 - 研究人員還不知道什么 - 并且“混合物的死亡是這種進(jìn)化的偶然后果”。

Phadnis推測gfzf可能受到自然選擇的青睞，因?yàn)樗兄诳刂扑^的跳躍基因，這種基因可以破壞必需的基因，從而產(chǎn)生導(dǎo)致疾病的突變。為什么了解一個物種如何成為兩個新物種為何如此重要?“即使我們是小孩子，我們發(fā)現(xiàn)世界上最先發(fā)現(xiàn)的事情之一就是地球上物種數(shù)量和種類的多樣性，”Phadnis說。“物種形成是產(chǎn)生這種多樣性的引擎。因此，即使在達(dá)爾文時代之前，理解物種形成一直是一個長期存在的問題。現(xiàn)在，我們終于能夠以創(chuàng)造性的方式利用技術(shù)來解決這些古老而長期存在的問題。”