eLIFE|“垃圾DNA”中发现了快速进化的基因之谜的关键

新研究发现必需基因可以快速进化，从而扭转了进化教条

进化中一个长期存在的难题就是为什么新基因（似乎是从无处产生的）可以迅速接管对生物体生存至关重要的功能。

由于缺乏基因，异染色质（以绿色显示）曾经被认为是惰性的“垃圾DNA”，但是现在科学家发现它具有某些非常重要的作用。

一项关于果蝇的新研究可能有助于解决这个难题。它表明一些新基因很快变得至关重要，因为它们调节一种称为异染色质的DNA。一旦被认为是“垃圾DNA”，异染色质实际上可以完成许多重要的工作，包括像一个严密监视的监狱一样工作：它可以锁定“不良演员”基因，阻止它们开启并造成伤害。

美国西雅图的弗雷德·哈钦森癌症研究中心的进化生物学家哈米特·马利克（Harmit Malik）和他的同事将研究成果发表在11月的 eLIFE杂志上。

“这项工作是一个里程碑，”未参与此项研究的芝加哥大学进化生物学家Manyuan Long说。看到异染色质在基因进化中发挥如此重要的作用，真是太神奇了。

科学家已经记录了许多似乎是由零开始产生的基因，这些基因赋予了生物新的能力。例如，鱼类中的一个这样的基因产生了一种新的抗冻蛋白。另一个苍蝇对飞行至关重要。

大约十年前，研究人员发现新基因不仅赋予新功能；实际上，某些可能是生存所必需的。在果蝇果蝇中，多达30％的必需基因是“新的”，其中一些是在300万年前出现的，这在进化的时间尺度上是一个闪光。这一发现推翻了一个长期以来的信念，即重要的基因在进化过程中并没有真正改变。

马利克（Malik）的研究小组研究了果蝇中的一个大家族基因，这些果蝇可以调节其他基因-开启或关闭它们以完成细胞中的各种任务。研究发现，在大约70个基因家族中，进化速度更快的基因更有可能控制果蝇的基本功能。实际上，快速进化的基因中有67％是必不可少的，而缓慢发展的群体中只有20％。

马利克说：“教条与您所期望的完全相反。”

研究小组发现一种新的必需基因，称为尼克纳克（Nicknack），发布了一种与异染色质结合的蛋白质的说明书，尽管细节尚不清楚。

为了了解尼克纳克接管基本功能的速度，研究人员用最接近的进化亲缘种D. simulans中的尼克纳克基因替换了黑腹果蝇中的尼克纳克基因。这两种苍蝇大约在250万年前分裂成果蝇树的两个分支。科学家通常会期望S. simulans的Nicknack基因与D. melanogaster的Nicknack基因基本相同，因为它是必不可少的，因此在几百万年的短时间内（从进化的角度来看）不会有太大变化。

他们通过将simulans的基因交换到melanogaster果蝇中来检验了这一理论，并期望如果基因相同，则交易将没有效果。但是，相反，雌蝇在掉期中幸存下来，但所有雄性都死亡。马利克认为性别之间的差异与异染色质有关：Y染色体包含很多异染色质。

马利克说：“仿佛[D.] simulans的[Nicknack基因]插进来了。” “它足以在雌蝇中发挥其功能，但是在雄蝇中，异染色质的块很大，而不能。”换句话说，一个物种的基因与其另一物种的对应基因不匹配。

结果表明，自两个物种分裂以来的250万年中，黑腹果蝇进化出了自己的尼克尼克号。而且由于交换对男性造成不利影响，他们的Y染色体中存在大量异染色质，因此研究人员得出结论，尼克纳克必须在调节异染色质中起关键作用。而且由于异染色质发展如此迅速，因此Nicknack基因也必须迅速发展，因此它不会过时。

接下来，Malik希望做更多的研究来了解Nicknack的确切功能。这可能有助于阐明异染色质在决定进化速度和过程中的作用。他说，科学家们才刚刚开始了解这种“垃圾DNA”绝不是垃圾的许多方式。

CITATIONS

B. Kasinathan et al. Innovation of heterochromatin functions drives rapid evolution of essential ZAD-ZNF genes in Drosophila. Published online November 10, 2020. doi: 10.7554/eLife.63368.

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