Nature:功能强大的“超级基因”

【字体: 时间:2014年03月06日 来源:生物通

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  燕尾蝶通过翅膀的复杂图案、颜色和结构进行拟态。日前,芝加哥大学的科学家们指出,这一复杂的机制受到doublesex的单基因调控,文章于三月五日发表在Nature杂志上。众所周知,doublesex是控制昆虫性别分化的关键基因,而这项研究表明该基因还具有控制拟态的强大功能。

  

生物通报道:燕尾蝶通过翅膀的复杂图案、颜色和结构进行拟态。日前,芝加哥大学的科学家们指出,这一复杂的机制受到doublesex的单基因调控,文章于三月五日发表在Nature杂志上。众所周知,doublesex是控制昆虫性别分化的关键基因,而这项研究表明该基因还具有控制拟态的强大功能。

“传统观点认为,蝴蝶翅膀的拟态图案应该是多个基因共同作用的结果,”文章的资深作者,芝加哥大学的助理教授Marcus Kronforst说。“而我们发现,控制性别分化的那个基因单独承担了这项工作。”

为了避免被捕食,一些无毒蝴蝶会模拟有毒蝴蝶的翅膀图案。几个世纪以来,人们一直将蝴蝶翅膀的拟态作为自然选择的典型范例进行研究。有证据表明,燕尾蝶基因组中存在一个控制拟态的区域。鉴于拟态的复杂性,人们一直认为这一区域可能含有“超基因”,即多个紧密相联的基因。

为了鉴定这一区域的功能,Kronforst及其同事对一种亚洲的燕尾蝶(玉带凤蝶Papilio polytes)进行了研究。雌性玉带凤蝶拥有四种不同的翅膀图案,其中三种是拟态图案,另一种是非拟态图案(所有雄性玉带凤蝶的翅膀都是非拟态的)。

研究人员令翅膀图案不同的蝴蝶相互交配,并对五百个这样的后代进行了基因组比对。在此基础上,他们鉴定了五个可能涉及拟态的基因。随后,研究人员又测序了三十只蝴蝶的基因组(一半拟态一半不拟态),以探寻特定基因与翅膀图案的关联。

出乎意料的是,只有doublesex基因表现出与拟态过程的相关性。人们已经知道,doublesex基因可以通过选择性剪切,控制昆虫的性别分化。当doublesex基因转录为信使RNA时,会经过剪切形成不同的亚型(isoform),进而指导性别的形成。

研究人员发现,在玉带凤蝶中doublesex会通过选择性剪切形成多个亚型。其中两个在拟态蝴蝶的翅膀中表达水平特别高。研究还证实,在蝴蝶的发育过程中,doublesex的表达情况与翅膀图案的形成完全相符。(了解一下:选择性剪切新模式

单个基因为何能够控制如此复杂的机能呢?Kronforst指出,控制doublesex表达时机和地点的非编码DNA可能起到了重要作用。研究显示,在拟态蝴蝶的基因组中doublesex基因是反向的,这不仅减少了重组的可能性,还使其蛋白产物出现了结构差异。由于doublesex是一个可激活其他基因的转录因子,研究人员相信这些差异可能就是翅膀图案多样化的原因。

“我们阐明了蝴蝶翅膀拟态的遗传学基础,”文章的作者之一,芝加哥大学的Wei Zhang博士说。“不过这只是第一步,doublesex的具体作用机制还有待于进一步的研究。”

 

生物通推荐原文:

doublesex is a mimicry supergene

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