生物学家在新特性进化过程中发现一种遗传机制

马萨诸塞大学阿默斯特分校(University of Massachusetts Amherst)的发育生物学家克雷格艾伯森(Craig Albertson)说，生物学家长期以来一直在争论，新特性的进化是否需要新基因的进化，或者它们是否能简单地从现有遗传途径的招募中产生。“新特性从何而来？”这个问题已经存在了几个世纪，但我们真的只有10年或20年的时间来解决它。”他们需要剧烈的基因组变化，还是更多的是修修补补?现在研究生Moira Conith在非洲的cichlid鱼身上进行了一组“优雅的实验”。

一种非洲的cichlid鱼，鼻子特别大。在PNAS上，UMass Amherst生物学家提供的证据表明，这种性状的进化部分是由于增加了现有基因网络核心成员的表达。它的鼻子挂在它的上颚和牙齿上，帮助它们从岩石中撬出坚韧的海藻。图片：UMass Amherst

实验结果支持了一种观点，即新的特性可以来自于不断扩展的基因调控模块，而这些模块一直存在于生物体中。详情刊登在《美国国家科学院院刊》上。艾伯森指出：虽然已经在无脊椎动物身上证实了现有分子通路的存在，但在脊椎动物身上却鲜有发现。”“我们现在有确凿的证据表明，这种奇怪的特性的进化，至少在一定程度上是由于增加了现有基因网络核心成员的表达。”在这种情况下，这种奇怪的特征是一个巨大的鼻子，它挂在鱼的上颚和牙齿上，帮助这些鱼从岩石中撬出坚韧的丝状海藻。

研究人员表示，cichlid口鼻是由两个组织组成的:连接上颌骨左右两侧的上颌间韧带，以及覆盖着疏松结缔组织。在所有的纤毛中都有韧带，但在有超大型鼻部的鱼中，这些组织被大量的精心设计和缠绕，韧带固定在皮肤上，形成了一种独特的韧带-上皮复合体。韧带通常连接骨骼，这种独特的解剖结构可能是这些动物进食的重要特征。他进一步推测韧带有助于鼻子的硬化。当这些鱼进食的时候，它们会把鼻子贴在湖底，从湖底伸出它们的下颚，吞下一大口海藻，然后当它们的下颚缩回它们的头骨时，把岩石上的海藻撕下来。所有这些都可以在鱼不需要移动它们的身体的情况下发生，这意味着与没有大嘴巴的鱼相比，它们可以以更少的能量进食。

怀疑一个候选基因调控网络被认为与韧带发展包括转化生长因子β(Tgfβ)通路和Scleraxis(Scx)转录因子,预示和Conith设计一组实验,涉及蛋白质操纵、基因表达和基因映射。这些因素不仅表达了上级在鱼大的鼻子，但实验操纵Tgfβ信号在鱼没有鼻子能充分生长厚韧带和大的鼻子。研究人员利用基因映射的特定突变是否会导致鼻子肿大的发展是与Tgfβ通路成员。事实证明他们是这样的。虽然我们没有发现强有力的证据支持的突变或Tgfβ周围工作的细胞之间的信号,我们做通路成员细胞内工作。我们的基因图谱研究表明，与韧带相关的转录因子scx，以及被称为smad的信号感测器，可以转录或‘打开’scx。

此外，基因图谱显示了一种名为Adam12的蛋白质，此前从未被证明与韧带形成有关，这一结果在斑马鱼的模型中得到了证实，他补充道。综上所述,实验由美国国家科学基金会资助,支持假设Adam12-Tgfβ-Scx韧带发展途径是一个预先存在的基因模块的招募这些鱼类进化的大的鼻子。Tgfβ-Scx途径而言,它是已知参与韧带和肌腱发展。基本上我们所展示的是进化的这种跳跃是由于简单地启动了这个发展路径。这是一个相对简单的分子变化，导致了相当复杂的表型，对于亚当12，我们在韧带形成方面提供了一个全新的球员，所以通过研究这个奇怪的特点，我们学到了一些新的东西，应该是社区普遍感兴趣的。

博科园-科学科普｜参考期刊：美国国家科学院院刊｜来自：马萨诸塞大学阿默斯特分校