科研 | eLife：借助RNA-Seq阐明果蝇对高温的快速性别特异性适应
编译：月中霜，编辑：十九、江舜尧。
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雌雄异形的普遍存在证明雌雄间存在不同的适应策略。尽管两性间不同的生殖策略具有很明显的特征，但对于雄性和雌性在其自然栖息地的不同功能需求却知之甚少。本文中，研究者研究了环境变化对两性选择的影响。将果蝇复制种群暴露在一个新的温度条件下，研究人员在不到100代的时间里证明了其在基因表达、代谢和行为表型方面的性别特异性变化。这不仅表明了两性在新环境中的不同功能需求，同时也表明了两性间快速的性别特异性适应。在计算机模拟的支持下，研究人员提出，改变性别偏好性的基因调控，而不是新的突变，是快速性别特异性适应的驱动因素。他们发现环境驱动的雌性和雄性功能需求的差异甚至可能对区分性别的医学治疗具有重要意义。
论文ID
原名：Rapid sex-specific adaptation to high temperature in Drosophila
译名：果蝇对高温的快速性别特异性适应
期刊：eLife
IF：7.551
发表时间：2020.02
通讯作者：Christian Schlötterer
通讯作者单位：奥地利维也纳兽医学校群体遗传学研究所
DOI号：https://doi.org/10.7554/eLife.53237
实验设计
作者将果蝇复制种群暴露在新环境下，通过转录组数据分析性别特异性适应相关的基因表达变化。通过GO富集和组织特异性表达分析来确定雄性和雌性在新环境中不同的功能需求。顺式作用元件富集分析寻找调节具有性别偏好性表达的基因的转录因子，探究进化背后的驱动力。另外，测定雄性生殖力和雌性生殖休眠来验证性别特异性调节可能会触发相关行为的变化。
结果
1.新环境中雌性和雄性明显的表型变化
由于许多分子表型可以在中等的水平进行高精度评分，因此研究员通过研究基因表达来探索雄性和雌性的表型进化。此外，与通常根据先验标准选择的高水平表型相比，基因表达的分析是无偏差的。研究人员测定了10个复制群体的基因表达，这些群体均在一个简单且控制良好的高温选择环境中独立进化超过100代。在每个性别中，他们都筛选出了复制进化群体中具有平行变化的基因与其同性祖先进行比较。在考虑了进化过程中的异速变化后，研究人员最后确定了2366和4151个基因（占所有表达基因的25%和44%，N=9457），分别用于显示了雄性和雌性的进化反应(FDR < 0.05)(图 1)。两性之间进化中基因表达有很大的不同，导致了他们几乎不相关的基因表达变化(图 1a)。只有760个基因（14%；469个上调，291个下调）在两性中进化一致。1295个基因（24%）在雄性（657个上调，638个下调）进化中特异性改变表达，3080个基因（57%）仅在雌性（1877个上调，1203个下调）中进化。有趣的是，311个基因（6%）显示出两性对选择的不同反应（图1b）。雄性和雌性基因表达的不一致性表明了其在新的环境中不同的功能需求。
为了确定雄性和雌性在新环境中不同的功能需求，研究人员对基因开展GO术语富集和组织特异性表达分析（图1c和1d）。他们在GO富集和组织特异性表达分析中均发现一种显著的富集模式，即脂肪酸代谢的性别特异性进化。在脂肪体组织中高表达的基因，在男性上调的1280个基因中过度表达，而在雌性中的1648个下调的基因中过度表达（在FET，FDR两个检验中均小于0.01，图1d）。对具有雄性特异性上调的基因进行GO富集分析，进一步发现了“脂质代谢过程”，“酰基辅酶A生物合成过程”，“脂肪酸延伸率”和“甘油三酸酯分解代谢过程”等生物学过程。在雄性上调但雌性下调的154个拮抗进化基因中，富集到了类似的GO分类。有趣的是，雄性中脂肪酸合成和降解这两个明显相反的过程显著上调（图2a），而雌性中只有与脂肪酸合成有关的基因显著下调（图2a）。这些观察结果表明基因表达的变化与较高水平的表型之间存在关联，这些实验种群仅在雌性中经历了脂肪含量的显著下降，而雄性中则没有（图2b）。
另外，对基因表达选择的性别特异性反应也与神经元信号有关。此前已有报道表明在同一种群的雄蝇温度适应过程中，多巴胺信号传导发生演变。在雄性中表达下降的1086个基因可以在脑和神经节组织中富集（FET，FDR 两个检验<0.001；图1d），而在雌性的这些组织中没有富集。同样，多巴胺能过程的基因表达（例如：Ddc，DAT和Dop1R2）在雄性进化中表达下调，而在雌性进化中则没有（图2c）。相反，仅在雌性进化中出现参与章鱼胺生物合成和信号传导基因（例如：Tdc1，Tdc2和Octa2R）的表达增加（图2c）。
不同神经元回路中转录活动的性别特异性调节可能会触发性别特异性适应性相关行为的变化，例如雄性求偶和雌性排卵。为支持这一假设，GO分类中的“交配”和“雄性求爱行为”在雄性上调的154个拮抗基因中得到富集，而“产卵”在雌性1877个特异性上调的基因中的也得到富集。进化中雌性繁殖力的增加符合对章鱼胺合成增加的预期。然而，雌性生殖力是一个复杂的性状，除了章鱼胺水平升高外，还可能受到许多其他因素的影响。因此，他们检测了实验中未选择的另一种与章鱼胺相关的表型，即响应寒冷的卵巢休眠。证实进化中雌性中章鱼胺含量升高，在两种不同的诱导休眠温度（10˚C和12˚C）下，休眠发生率较低。此外，他们还观察了100代进化后雄性特异性行为的变化。与祖先相比，进化后的雄性花更多的时间追赶雌性并进行更多的交配尝试（图2e和图2）。
几种表型的性别不一致性进化，如基因表达，代谢和行为，为证明暴露在新的温度条件下实验种群中发生的性别特异性适应过程提供了有效证据。这就提出了一个重要的问题，即在100代进化过程中，如何消除共享基因组上潜在冲突的选择压力。
图2.性别特异性表型进化。
2.快速的性别特异性适应可以通过改变性别偏好性的基因调控来驱动
果蝇中的性二态性基因表达丰富，并且这项研究的祖先群体中有95％的基因也存在性别偏好性。这意味着在雄性和雌性中基因表达选择的分离，以及祖先群体中转录组的性别偏好性调控结构的存在。在表达或剪接中带有性别偏好性的转录因子（TF）是这种性别偏好性调控结构的关键因素。据推测，对不一致选择的相对快速的性别特异性反应可能是由导致基因偏好性基因表达的新突变的固定所驱动的。但是，他们观察到仅100代后重复群体的性别特异性表达发生了变化，在这种情况下，单个复制中的再次突变不太可能成为驱动因素。相反，在现有性别特异性的遗传结构中选择常规遗传变异似乎是最可能的机制，它允许重复种群在新环境中以如此短的时间达到两种性别的不同功能需求（图3）。
支持该假设的候选转录因子将同时调节具有性别偏好性表达的基因（标准1）和具有在表达中有显著性别偏好性进化的基因（标准2）。此外，这些TF的性别偏好性应该已经朝着与其靶基因变化兼容的方向进化（标准3）。在他们的群体中表达的656个带注释的TF中，有300个TF进化出性别偏好性表达的变化（即，发生了新的性别偏好性或祖先的性别偏好性发生了变化）；210和80个基因分别在雌性或雄性中进化，另外10则在两性中向相反的方向发生变化。基于顺式调节元件的富集，研究员鉴定了69个调节性别偏好性表达基因的TF，以及总共198个靶向性别偏好基因向着相反方向进化的TF。最终，有19个TF满足了他们所有三个标准，是两种性别中不一致选择所针对的最有可能的候选基因。尽管这些群体的基因组时间序列数据可以获取，但这些群体中广泛的连锁结构妨碍了对选定TF等位基因的明确鉴定。未来的功能研究将显示这些候选TF中的哪些正在完成雄性和雌性需求的分离，以及哪些分子过程有助于在新的温度条件下两性的适应。尽管如此，他们告诫说，基因表达的进化很可能是多基因的，有几个甚至多个基因位点有助于性别偏好性的进化。在这种情况下，由于单个基因位点的预期具有很小的影响，因此基因组反应和功能测试都可能会很复杂。
研究员使用计算机模拟进一步证实假说，即在存在隔离的调节性变种的情况下，可以快速实现性别特异性的适应，这会改变性状的性别偏好性。根据发起实验所创建品系的单倍型信息，他们模拟了每个由50个加性基因座（TF）控制的性状（表达值），其中0、1、2、5、10或20是性别特异性（效应大小= 一种性别中为0）/性别偏好性（效果大小相差2倍）。模拟的群体暴露在选择压力下，其中相同群体中的雄性和雌性对观察性状的适应性不同，他们监测了100代中每种性别的表型变化。在每种情况下进行了100次模拟。在效应大小上没有性别偏好性（rmf = 1）的情况下，雄性和雌性都无法对不一致的选择做出反应（图4）。由于40％的促性状基因位点具有性别特异性（rmf = 0.49±0.2）或性别偏好性（rmf = 0.87±0.05），因此雄性和雌性均可朝相反的最佳方向进化（图4）。然而，许多促性状基因位点不需要性别特异性或性别偏好性的表达。在相对的选择压力下，已经有两个性别特异性（rmf = 0.94±0.08）的基因位点显着分离两种性别的响应（图4b）。
图3 一个针对性别特异性适应的快速进化简单模型。
图4.通过一些性别特异性位点，对性别不一致的性状最优化的表型反应的迅速分离。
3.具有性别偏好性效应遗传变异的保持
如上所述，快速的性别特异性反应在复制过程中高度平行，其与性别二态性的获得和缺失相结合（图1），突出了在性别偏好性调节体系中长期遗传变异的重要性。这就提出了一个有趣的问题，即如何保持具有性别偏好性效应的遗传变异。假设具有简单的遗传基础和稳定的适应环境以及两个性别之间的具有明显差异，则具有二态性表达的等位基因就有望成为固定基因。研究员通过提出两个非互斥的假设来解释他们观察结果的差异。首先，某些性别特异性表型的适应状况可能会因环境波动而变化。在这种情况下，控制性别差异性状的等位基因可能会在群体中分离和保持。由于果蝇的自然种群经常遇到季节性温度波动，因此可以将调节性别特异性温度适应的候选等位基因保持在足够高的频率下，以促进快速反应。最近已经有报道在实验和理论上描述了季节性变化对波动的等位基因变化频率的影响。第二个假说是假设以多基因为基础。研究人员注意到，明确的性别限制修饰结构（例如雄性和雌性的doublesex同工型）并不排除多基因适应性，这些性别限制性修饰结构可能调节许多对环境变化作出反应的下游调节因子。因此，这些下游调节因子的微小频率的转变已经可以介导观察到的性别特异性基因表达变化的演变。重要的是，在多基因适应下，分离变异可保持相当长的时间。以下观察结果对该假设进行间接支持：无法鉴定到可以解释与多种人类性别相关差异特征的重要SNP。在这种情况下，性别差异的快速演变可以通过复制群体之间的异质基因型变化来实现。
讨论
本研究证明了环境转变后实验性的进化对研究性别特异性适应的驱动。当暴露在新环境后，很大一部分转录组和与之相关的更高水平的表型会迅速发展出两性不一致的变化。研究人员提出，祖先群体中的变异分离促进了性别偏好性的基因表达相关的进化，这反过来又为性别特异性适应提供了基础，该适应性由在雄性和雌性之间朝着不同方向发展的广泛表型所证明。
尽管他们提供了关于性别特异性适应的有力证据，但仍要牢记，两性中选定特征的识别是一项极富挑战性的任务。尽管60％的基因以性别特异性的方式改变表达，但不可能每个基因都可以被独立的选择出来。研究人员可以预见到许多性别特定的表型变化识别方式的实现，从适应过程中的异位变化到作用于多效转录因子顺式调控变异的选择。适应性变化的进一步表型需要区分两个目标。在许多研究中追求的一个目标是经历了有利变种的频率变化作为对自适应表型的贡献基因的鉴定。另一个目标是鉴定选定的表型。考虑到许多基因的多效性作用和大多数适应性表型的多基因性，很明显，单个选定等位基因的表型在达到后期的目标方面有明显的局限性。实际上，旨在适应性表型等位基因变异的研究的合理性已经受到挑战，而以性别特异性方式进行选择的适应性表型有更大的收获。研究人员针对这一方向的高说平表型进行了富集分析和鉴定，但他们仍然无法区分表型变化和实际选择表型之间的相关性。
尽管本研究的大部分重点是针对性别特异性适应的快速发展，但其背后的驱动力尚未得到相同程度的讨论，主要是因为它们需要进一步的功能验证。然而，与饮食对性别的依赖关系相一致，新环境中雄性和雌性在功能上的要求大不相同，这一现象已远远超出果蝇的范围。研究员预计他们的结果将对生物医学研究和医学治疗产生深远影响，因为生物医学研究和医学治疗过程中需要考虑到两性之间的巨大差异，特别是在从饮食到气候条件的新环境压力方面。
评论
作者将果蝇复制种群暴露在新环境下，旨在探究环境变化对两性选择的影响，揭示性别特异性适应机理。本研究系统性的描述了新环境中雌性和雄性明显的表型变化和其背后的驱动力。最终提出两个有关保持具有性别偏好性效应的遗传变异的假说。本文的研究内容对生物医学研究和医学治疗研究具有重要的借鉴作用，为研究新环境下两性不同进化策略提供了重要的理论基础。
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