Science Advances解释为什么我们看起来是这样的基因基础

加州大学圣地亚哥分校的研究人员通过比较实验室常见果蝇和从夏威夷火山国家公园收集的稀有果蝇的特征，发现了被称为Hox基因的高级控制基因如何塑造我们的外表的线索。

　　

   

   

图像:电子显微镜图像对比了普通黑腹果蝇(左图)的光滑和海绵状特征和它更稀有的表亲夏威夷拟态果蝇的烧烤状特征。

来源:加州大学圣地亚哥分校比尔实验室

1990年，加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego)生物学家威廉·麦金尼斯(William McGinnis)进行了一项开创性的实验，帮助科学家解开了被称为Hox基因的高级控制基因是如何塑造我们的外貌特征的。“麦金尼斯实验”帮助我们理解了Hox基因在决定从人类到黑猩猩再到苍蝇的物种外表一致性方面的作用。

McGinnis是细胞与发育生物学(Cell and Developmental Biology)的荣誉退休教授，曾任生物科学学部(Division of Biological Sciences)院长，他帮助发现了一个被他称为“同源盒”(homeobox)的DNA区域，这是基因内部指导解剖发育的序列。自从著名的McGinnis实验以来，进化和发育生物学家一直在思考这些具有高度影响力的Hox基因是如何决定不同身体区域的身份的。

30多年后，由加州大学圣地亚哥分校博士后学者Ankush Auradkar领导的一项研究发表在11月10日的《科学进展》(Science Advances)杂志上，该研究帮助回答了关于Hox基因功能的问题。该研究的共同作者McGinnis和资深研究作者Ethan Bier指导了这项研究。

McGinnis现在已经成为教科书的实验测试了人类或小鼠Hox基因产生的蛋白质是否可以在果蝇中发挥作用。在这些脚步声后,这项新研究利用现代CRISPR基因编辑调查是否Hox基因功能的各个方面,既包括蛋白质编码和控制区域,可以取代在一个共同的实验室果蝇(黑腹果蝇)与其对应的一个罕见的夏威夷表弟(果蝇mimica),它有一张非常不同的脸。

这个被讨论的基因，proboscipedia，将会清楚地显示自己，因为它指导了截然不同的嘴部的形成——D. mel的嘴部光滑而海绵状，而D. mim的嘴部则更像烧烤(类似于科幻电影《捕食者》中的外星人的脸)。

研究合著者艾米丽·巴尔杰首先从夏威夷火山国家公园收集了出了名的难以繁殖的D. mim样本，以及已知昆虫吃的唯一本地水果(无Sapindus saponaria -夏威夷皂果)，以便在比尔的实验室建立一个临时殖民地。Auradkar随后与合著者Sushil Devkota合作破译了D. mim长喙百科全书基因的基因组序列，该基因有近44,000个碱基长。然后，研究人员删除了D. mel proboscipedia基因，并用相同基因的D. mim版本取而代之。

正如McGinnis所预测的那样，新的结果显示，D. mel优雅的面部结构比D. mim粗糙的面部特征“胜出”。然而，D. mim的一个特征在实验中确实显现出来了:D. mel中从面部伸出的被称为上颌触须的感觉器官，与D. mim中进食的口器平行。奥拉德卡使用复杂的基因工具来确定这种差异的基础，并追踪到喙部基因激活模式的变化(控制区域的变化)。

这个实验的结果帮助回答了一个长期存在的问题，即Hox基因是否作为支配生物体不同身体部位的“主控”调节基因发挥作用。或者，正如McGinnis所提出的，Hox基因是否提供了抽象的位置编码，并作为下游基因的支架，对生物体最有利。除了上颌触部，新的研究结果证明McGinnis的支架理论是正确的。

McGinnis说，除了对进化生物学的影响，研究结果还可以帮助解释植根于人类基本遗传过程的发育问题。

Bier说:“这些苍蝇研究为深入进化时间提供了一扇窗，并告诉我们在进化过程中身体计划改变的机制。”“这些见解可能会使我们更好地理解与人类先天缺陷有关的过程。随着强大的基于crispr的人类治疗基因组编辑系统即将问世，新的策略可能会被制定出来，以减轻这些常常使人衰弱的疾病的一些影响。”