他們發(fā)現(xiàn)，眼斑似乎來自于一個復(fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)的招募，該網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在蝴蝶的身體中運(yùn)作，以此來建立觸角、腿甚至翅膀。

“這項(xiàng)新研究解決了新的復(fù)雜性狀如何起源的問題。這些復(fù)雜性狀的發(fā)展需要許多相互作用的基因的輸入并經(jīng)常以脊椎動物的眼睛或細(xì)菌的鞭毛來說明。在我們的研究中，我們研究了蝴蝶的眼斑--一個復(fù)雜性狀的例子--是如何產(chǎn)生的，并得出結(jié)論：蝴蝶在創(chuàng)造眼斑時采用了網(wǎng)絡(luò)招募的方法。我們還確定了可能被招募的特定基因網(wǎng)絡(luò)，”來自NUS生物科學(xué)系的Monteiro教授說道。

這些發(fā)現(xiàn)首次發(fā)表在2022年2月16日的《Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA》上。

生物體如何構(gòu)建的奧秘

理解基因網(wǎng)絡(luò)招募可以通過想象一個復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序來進(jìn)行。據(jù)悉，該程序擁有成千上萬行代碼，每一行都代表一個簡單的指令或功能。在代碼中，有一些文本塊，從邊緣向內(nèi)一點(diǎn)的位置，代表子程序。這些子程序或執(zhí)行特定任務(wù)的指令集在代碼中只寫一次，但在程序運(yùn)行過程中會反復(fù)引用。為了做到這一點(diǎn)，每個子程序都必須被賦予一個獨(dú)特的名稱并在隨后的代碼中被提及。一段復(fù)雜的代碼往往包含許多子程序，其中每個獨(dú)特的子程序只被完整地寫了一次。

同樣的子程序邏輯似乎也適用于發(fā)展過程如何在生物體的DNA中進(jìn)行編碼。在這種情況下，該子程序被稱為基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)是一連串的指令，涉及到幾個基因按時間順序的轉(zhuǎn)錄或沉默。生物體在發(fā)育過程中通過部署許多這樣的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來以精確的順序來構(gòu)建。NUS團(tuán)隊(duì)的新研究發(fā)現(xiàn)，蝴蝶翅膀上眼斑的發(fā)育依賴于一個預(yù)先存在的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的部署，該網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被用于構(gòu)建這些蝴蝶的觸角、腿和翅膀。

據(jù)了解,這些子程序的存在以前就曾被假設(shè)過，主要是因?yàn)橥瑯拥幕虿粩啾话l(fā)現(xiàn)表達(dá)并與新性狀的發(fā)展相關(guān)。然而目前還不清楚這些基因在新性狀中的表達(dá)是代表新的基因組代碼行。

發(fā)現(xiàn)基因網(wǎng)絡(luò)招募在新型性狀中的作用

為了弄清這一點(diǎn)，NUS博士后Heidi Connahs博士和博士生Suriya Murugesan先生刪除了基因組中獨(dú)特的DNA調(diào)控序列，但沒有刪除基因本身，另外還表明多種性狀受到這些突變的影響。這證明了一個單一的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)或子程序是所有性狀發(fā)展的基礎(chǔ)。被瞄準(zhǔn)的兩塊DNA是緊挨著基因Distal-less和spalt的調(diào)節(jié)開關(guān)。當(dāng)這些約390-700個堿基對的區(qū)域被破壞時，眼點(diǎn)、觸角、腿和翅膀的發(fā)育都被破壞了。“觀察這些重要的復(fù)雜性狀是如何被DNA中的相同變化所影響的，這非常令人驚訝，”Connahs說道。

Murugesan先生還對翅膀上形成眼斑的組織碎片進(jìn)行了測序并將整套表達(dá)的基因跟其他性狀中表達(dá)的基因進(jìn)行了比較。Murugesan表示：“眼斑跟觸角共享最接近的基因表達(dá)譜，但跟腿或其他翅膀組織如翅膀邊緣卻不一樣。”NUS博士后Yuji Matusoka博士隨后檢查了在眼斑和觸角中表達(dá)的三個基因，他們發(fā)現(xiàn)它們之間的調(diào)節(jié)聯(lián)系是相同的--一個基因?qū)φ{(diào)節(jié)另外兩個基因很重要。

Monteiro教授說道：“這些實(shí)驗(yàn)依賴于發(fā)現(xiàn)突變，這些突變在胚胎注射后正好擊中了眼斑中心細(xì)胞，這需要很大的耐心。”

總的來說，該研究強(qiáng)調(diào)了新復(fù)雜特征的進(jìn)化如蝴蝶的眼斑是通過遺傳密碼的突變進(jìn)行的，這些突變回顧了基因組中預(yù)先存在的子程序，該程序已經(jīng)用于其他復(fù)雜特征如觸角和其他肢體。產(chǎn)生這些預(yù)先存在的基因網(wǎng)絡(luò)的重新部署的突變類型仍有待發(fā)現(xiàn)，但預(yù)測它們是普通的突變，在偶然的情況下，導(dǎo)致召回預(yù)先存在的涉及數(shù)百個基因的大型基因組子程序。

據(jù)悉，研究人員接下來將進(jìn)一步測試來自沒有眼斑的蝴蝶物種的這兩個基因的相應(yīng)調(diào)控序列是否能激活有眼窩的物種中眼窩區(qū)域的基因表達(dá)。“這將是錦上添花，”Monteiro教授說道，“因?yàn)樗M(jìn)一步證實(shí)了一個舊的子程序的基因序列將被召回到具有召回突變的物種體內(nèi)的那個新地方。”