古代基因重建与基因转殖技术结合,推翻早期分子演化的假设

更新于2020-06-23 10:32:56
726
阅读
84
回复
古代基因重建与基因转殖技术结合,推翻早期分子演化的假设

来自美国芝加哥大学的科学家製作了第一只带有重建古代基因的基因改造动物,藉此来检测过去演化所发生基因变化对于动物生理以及适应性的影响。这项研究成果已在 1 月中发表于《Nature Ecology & Evolution》,是以一项以基因为基础所做的生物演化及适应性重要研究。研究结果推翻了先前被普遍接受的传统分子演化及适应性的假设,他们发现果蝇之所以能够分解腐败水果内的酒精成分,并不是因为演化过程基因改变所导致,而是有其他原因造成的结果。

美国芝加哥大学生态及演化学研究生 Mo Siddiq 是这项研究的主要研究者,他表示,现代演化生物学主要的目的是为了要找到是哪些基因让物种能够适应新环境,但研究的过程往往非常曲折,因为科学家没办法测试生物体内的古代基因会受到怎幺样的影响。但在这项研究中,研究团队发现透过将两种新开发的技术相互结合,便能解决这个问题──以统计数据重建古代基因,并以基因工程技术做基因转殖动物。

由于至今大多数的分子适应(molecular adaptation)研究中,科学家会以基因序列分析找出基因中,代表该基因曾经因为天择而产生快速变化的可能特徵,藉此判断在演化过程中天择造成的基因改变。然而,由于造成基因快速演化的可能原因很多,像是族群大小波动、偶发性的突变或适合当下环境的生物特徵功能被保留下来等,都使得这种研究方式找到的所找到的「证据」并不準确,很有可能只是巧合而产生的特徵,却被误认为是天择造成基因改变的证据。因此,任教于芝加哥大学的生态与演化学及人类基因学教授 Joe Thornton 博士与他的学生 Siddiq 希望找到新方法,能够直接的测试基因演化对于适应性的影响。

Thornton 在先前就已经领先运用重建物种古代祖先的基因技术,先以统计学方法比对资料库中大量的现代基因序列,接着在实验室中合成该序列并测试其特性。这样的实验策略使得他们能够得到该基因生化功能,及其影响的机制层面资讯。Thornton 和 Siddiq 表示,当他们将古代基因重建以及基因转殖工程技术结合,就能够研究在过去所发生的基因改变如何影响了整个生物体的发育、生理以及适应性。

将生物「古代化」的实验设计能够解答许多演化上的问题。研究团队选择的第一个研究对象就是一个由来已久的经典生物适应例子──研究果蝇是如何演化出在腐败水果内高浓度酒精环境下生存的能力。而研究结果显示在这个案例中人们长久以来接受的「因为基因改变导致果蝇能够适应高酒精环境」的说法是不正确的。

黑腹果蝇是在基因学以及演化学上研究得最完整的生物之一。野外的黑腹果蝇能在充满酒精的腐烂水果中生活,比牠们生活在其他食物来源的近亲们能忍受的最高酒精浓度还要高上许多。25 年前,芝加哥大学的生物学家 Martin Kreitman 与 John McDonald 发明一种以统计方法找出天择留下痕迹的新方法,至今仍广泛运用在分子演化学领域研究。

培育「复古」果蝇实验

在这项研究中,研究者就以这套方法运用于果蝇产生能够分解细胞内酒精的酒精去氢酶(alcohol dehydrogenase,Adh)基因。Adh 基因是一个明显曾经发生快速改变的基因,而且在先前就已经知道黑腹果蝇分解酒精的速度比其他近亲都还要快。因此,「酒精去氢酶(Adh)是果蝇之所以能够适应高酒精环境的原因」就成了第一个被接受的「特定基因导致物种适应性演化」概念。因此,Siddiq 与 Thornton 打算以新技术来直接对这个既定的说法进行测试。

首先,Siddiq 推算出黑腹果蝇在大约二到四百万年前,正演化出酒精耐性前后的 Adh 基因序列。用生化方法合成这些基因并表达,接着再以生化方法在试管内测试这些基因分解酒精的能力。实验的结果十分出人意料,他们发现这些在果蝇演化出酒精耐性时发生的基因改变所产生具有差异的蛋白质,居然在实验中测试不出明显的差异。

Siddiq 又与来自威斯康辛大学的 David Loehlin 与内布拉斯加大学的 Kristi Montooth 合作,製作带有重组古代 Adh 基因的基因转殖果蝇。他们培育了数千只「复古」的果蝇,接着测试牠们分解酒精所需要的时间长短,以及牠们的幼虫与成虫在含有高酒精食物内生存的情形。

研究结果同样出人意料,这些基因转殖果蝇中带有越接近现代 Adh 基因的个体酒精分解能力,并没有如原先设想中比带有更早期 Adh 基因的果蝇好。甚至,带有较现代 Adh 基因的果蝇在高浓度酒精环境下的存活机率也没有比较高。也就是说,原先科学家们的假设在这些实验结果中都不相符;黑腹果蝇的确在演化过程中发展出在高酒精浓度环境存活的能力,但不是因为酒精分解酶基因改变而使牠们获得这样的适应能力。

Thornton 对于实验结果与长期以来的认知与假设不符的状况表示,原先人们之所以普遍接受 Adh 基因的说法在于生态学、生理学以及根据天择原则所找到的天择特徵资讯都指向同样的结论,但在这个例子中很显然的打破原先的认知,构成这 3 种事实证据的原因并非只有一种解释,不能轻易就下定论。这也就是为什幺科学家们希望能够直接验证假设,而非透过已知的事实来推断原因。这项研究结果就是当科学家终于有了能够直接验证假设的方法,实际验证过后推翻假设的例子。

Siddiq 与 Thornton 希望透过这种重建古代基因并转殖到生物体内的实验策略,在这个研究领域中做为判断基因过去变化以及造成生物生理及适应变化的精準依据。

身为该领域资深研究者,芝加哥大学生态与演化学教授 Marty Kreitman 在这项研究中,也以他对果蝇基因学以及分子演化的大量知识帮助 Siddiq 进行研究。Kreitman 教授从研究一开始就对他们将进行的实验感到十分兴奋,且后来当 Siddiq 他们的研究结果推翻 Kreitman 自己先前所做的研究结论时,Kreitman 也同样支持他们的研究,对此 Siddiq 表示他非常感动并且受到很大的启发。

上一篇:
下一篇:

相关推荐

发现更多