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Nature:功能強大的“超級基因”

日期:2014-03-06 09:14:09

 

燕尾蝶通過翅膀的復雜圖案、顏色和結構進行擬態。日前,芝加哥大學的科學家們指出,這一復雜的機制受到doublesex單基因調控,文章于三月五日發表在Nature雜志上。眾所周知,doublesex是控制昆蟲性別分化的關鍵基因,而這項研究表明該基因還具有控制擬態的強大功能。

 

“傳統觀點認為,蝴蝶翅膀的擬態圖案應該是多個基因共同作用的結果,”文章的資深作者,芝加哥大學的助理教授Marcus Kronforst說。“而我們發現,控制性別分化的那個基因單獨承擔了這項工作。”

 

為了避免被捕食,一些無毒蝴蝶會模擬有毒蝴蝶的翅膀圖案。幾個世紀以來,人們一直將蝴蝶翅膀的擬態作為自然選擇的典型范例進行研究。有證據表明,燕尾蝶基因組中存在一個控制擬態的區域。鑒于擬態的復雜性,人們一直認為這一區域可能含有“超基因”,即多個緊密相聯的基因。

 

為了鑒定這一區域的功能,Kronforst及其同事對一種亞洲的燕尾蝶(玉帶鳳蝶Papilio polytes)進行了研究。雌性玉帶鳳蝶擁有四種不同的翅膀圖案,其中三種是擬態圖案,另一種是非擬態圖案(所有雄性玉帶鳳蝶的翅膀都是非擬態的)。

 

研究人員令翅膀圖案不同的蝴蝶相互交配,并對五百個這樣的后代進行了基因組比對。在此基礎上,他們鑒定了五個可能涉及擬態的基因。隨后,研究人員又測序了三十只蝴蝶的基因組(一半擬態一半不擬態),以探尋特定基因與翅膀圖案的關聯。

 

出乎意料的是,只有doublesex基因表現出與擬態過程的相關性。人們已經知道,doublesex基因可以通過選擇性剪切,控制昆蟲的性別分化。當doublesex基因轉錄為信使RNA時,會經過剪切形成不同的亞型(isoform),進而指導性別的形成。

 

研究人員發現,在玉帶鳳蝶中doublesex會通過選擇性剪切形成多個亞型。其中兩個在擬態蝴蝶的翅膀中表達水平特別高。研究還證實,在蝴蝶的發育過程中,doublesex的表達情況與翅膀圖案的形成完全相符。(選擇性剪切新模式)

 

單個基因為何能夠控制如此復雜的機能呢?Kronforst指出,控制doublesex表達時機和地點的非編碼DNA可能起到了重要作用。研究顯示,在擬態蝴蝶的基因組中doublesex基因是反向的,這不僅減少了重組的可能性,還使其蛋白產物出現了結構差異。由于doublesex是一個可激活其他基因的轉錄因子,研究人員相信這些差異可能就是翅膀圖案多樣化的原因。

 

“我們闡明了蝴蝶翅膀擬態的遺傳學基礎,”文章的作者之一,芝加哥大學的Wei Zhang博士說。“不過這只是第一步,doublesex的具體作用機制還有待于進一步的研究。”

 


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