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杂种功能障碍的遗传起源

在墨西哥伊达尔戈(Hidalgo)的两个瀑布之间的一个小水池中,生活着一群杂交鱼,这是高地和羊头剑尾之间多代杂交的结果。斯坦福大学生物学助理教授莫莉·舒默(Molly Schumer)的实验室多年来一直在收集这些鱼类,以研究杂种的进化。

“我们只是认识到,影响杂交种的所有跨越生命之树,包括我们自己种的,我们许多人从尼安德特人和丹尼索瓦人携带的基因,”舒默说,指的是与我们的祖先混血两座古人类物种。“了解杂交以及物种间移动的基因可能带来的负面和正面影响,对于理解我们自己的基因组以及与我们相互作用的其他物种的基因组非常重要。”

在5月14日于《科学》杂志上发表的一篇新论文中,研究人员查明了导致黑素瘤的两个基因,这些黑素瘤通常在雄性高地-绵羊头杂种的尾巴附近发育。该发现仅标志着第二次将混合功能障碍追溯至脊椎动物中的特定基因。(科学家将脊椎动物的杂种功能障碍缩小到单基因水平的唯一其他情况是在欧洲及其亲戚中长期存在的杂种小鼠。)

人们早就知道两种不同物种的后代往往具有遗传缺陷。例如,mu子-驴马杂交-不育。具有讽刺意味的是,为了找到造成这种功能障碍的基因,研究人员需要足够的杂种,使其能够在最初杂交后繁殖数代。否则,来自亲本物种的基因组片段太大,以至于几乎不可能追踪任何一个基因的影响。

这就是使高地人头混合动力犬成为杰出案例研究的原因。他们已经进行了约45代的杂交,导致基因组中包含较小块的亲本DNA,在单基因水平上更易于检查。

舒默实验室的博士后研究员丹尼尔·鲍威尔(Daniel Powell)说:“自1940年代以来,我们就知道了两个物种的基因之间的遗传不相容性。尽管如此,我们还不知道许多导致这些负面相互作用的基因。”该论文的作者。“我们的实验室已经明确定义了天然杂种,我们已经开发了两种亲本物种的基因组资源。这些鱼类代表了解决这个问题的独特系统。”

这些研究人员研究了两条杂交的雄性剑尾鱼,它们代表了该特性的极端版本​​。左侧的雄性有黑色素瘤,而右侧的雄性只有一个小斑点。信用:丹尼尔·鲍威尔(Daniel Powell)

为了将杂种中负责黑色素瘤的基因归巢,研究人员首先将注意力转向纯羊头剑尾和其中一些鱼类发育成黑斑的遗传起源,这是非癌性的,但在同一地点发现作为杂种的黑色素瘤。他们分析了将近400条鱼的基因组,将黑点与xmrk基因联系起来。遵循这一线索,研究人员得出结论,与没有黑素瘤的杂交瘤相比,xmrk在具有黑素瘤的杂交瘤中也有更高的表达-总共可以解释他们研究的纯羊头鱼和杂交鱼斑点中所有变异的75%。

研究人员还发现,另一种名为cd97的基因-一些杂种从其高地剑尾祖先继承而来-在高地剑尾和杂种中比在羊头剑尾中表达更高。进一步的遗传证据表明,cd97和xmrk以某种方式相互作用,在杂种中产生黑色素瘤。

有趣的是,即使这两个基因都不与亲本剑尾鱼的黑色素瘤相关,但它们都与其他动物的癌症有关。例如,在遥远相关的剑尾杂种中,xmrk与另一种基因(不是cd97)相互作用以引起黑色素瘤,而与cd97相关的基因已与人类癌症相关。

综上所述,这些发现产生了令人困惑的画面。鲍威尔说:“我们最终提出了关于杂交不相容性和疾病的相互竞争但互不排斥的想法。” “我们相信某些基因可能容易在不同物种中分解的想法令人信服-考虑到进化的随机性,这令人惊讶。但是我们也有证据表明,类似基因的遗传原因多种多样功能障碍。”

最好的项目

舒默说,当她将研究重点放在杂交上时,她有点,但是她的赌注是有回报的。

“当我在2011年开始攻读博士学位时,实际上不接受杂交在动物中很常见。最著名的例子是mu子和果蝇。这是一个巨大的转变,并且是一个有趣的工作时间问题,”该论文的资深作者,斯坦福Bio-X成员舒默说。“我们现在到达的是科学领域中最好的项目:一个提出的问题多于答案的方法,并且将您引向多个不同的方向。”

通过未来的工作,研究人员想弄清楚为什么带有黑色素瘤的混合剑尾在野外和人工饲养中存活的可能性较小。他们也很好奇,为什么会有这么多鱼患有黑色素瘤-在选择配偶时,雌性可能更喜欢雄性黑色素瘤产生黑点的雄性。他们已经提出了一些想法,以进一步了解基因在杂交中是否会以可重复的方式出错,或者他们在xmrk和cd97中发现的错误是否更接近巧合。

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