发现了新物种的基因

犹他大学领导的一项研究发现，当两种果蝇相互交配时，长期寻找的“杂交不育基因”负责死亡或不育后代。这一发现揭示了导致新物种形成的遗传和分子过程，并可能为癌症的发展提供线索。“我们几十年前就知道应该存在类似这种基因的东西，我们的方法最终使我们能够识别它，”生物学家Nitin Phadnis说道，该研究的主要作者今天发表在“ 科学 ”杂志上。

一个物种的定义是它不能与另一个物种成功繁殖，因此“了解物种形成就是了解这些生殖障碍是如何进化的，”他说。“当有障碍阻止它们相互繁殖时，你称之为新物种。鉴定这些基因并揭示杂交不育或死亡的分子基础是了解新物种如何进化的关键，并且仍然是新物种发展中的一个重要问题。自达尔文以来的生物学。“

令人惊讶的是，使果蝇杂交不可变的基因 - 命名为gfzf - 是一种“细胞周期调控基因”或“细胞周期检查点基因”，如果检测到缺陷，通常会阻止细胞分裂和复制。但是当在新研究中突变和禁用时，该基因允许两种果蝇的雄性杂种的存活。

该gfzf基因进化快，这是生物学家从混合不能生存的基因预期。但也是一个惊喜，因为细胞周期检查点基因通常进化缓慢，因为它们是大多数生物必需的“保守”基因。

Phadnis说，这和gfzf导致果蝇杂交中死亡或不育的发现“在癌症生物学中非常重要”。“癌症生物学家对细胞周期检查点很感兴趣，因为当病情恶化[并且细胞不受控制地扩散]时你就会感染癌症。生物学家希望了解机器。这项工作表明，细胞周期监管机制中的一些组成部分可能正在快速变化“。

Phadnis及其同事必须克服几个技术障碍，将gfzf鉴定为物种形成基因，他推测使用类似的技术可能表明“这种过程在许多其他物种中可能是重要的”。

两个果蝇的故事

这项新研究涉及两种密切相关的果蝇种类：果蝇(Drosophila melanogaster)和果蝇(Drosophila simulans)。Phadnis说，两种果蝇都有近两万年的历史。Phadnis说这项新研究“成功地解决了物种形成遗传学中最着名的案例之一”，即为什么这两个物种的杂交后代不可行。

Phadnis说，自1910年以来，遗传学家一直在寻找果蝇不可侵犯基因，当时他们首次注意到这两个物种之间的杂交已经死亡。

在过去的十年中，其他科学家发现并暗示了两种其他基因，这两种基因在两种果蝇物种交配时会导致死亡或不育后代：一种名为Lhr(致死性杂交拯救)的D. simulans基因和一种名为D. melanogaster的基因。Hmr(混合男性救援)。如果任一基因不存在，杂种雄性存活。但有证据表明，第三种未知基因也需要使杂交种死亡或无菌。

Phadnis说，当一个物种的两个种群分离时(通常是地理上)，新物种会进化，然后“基因组中的某些东西发生变化，以至于当它们以前曾经兼容时，现在它们的混合物就会失效。”

他说，鉴定杂种不育基因非常困难。遗传学通常涉及育种以鉴定导致特定功能或故障的基因。但如果杂交种死亡或不育，那就不起作用了。

此外，遗传研究工具是为D. melanogaster设计的- 遗传学实验中使用的果蝇 - 不适用于D. simulans，早期的研究表明它携带新发现的基因。最后，新鉴定的杂种不可变基因的天然存在的突变体不能在天然蝇种群中分离和鉴定。

Phadnis说，因此“通过扭转两种果蝇之间的杂交不相容性，并利用其遗传蓝图的新一代测序，我们找到了一种回避传统障碍的方法”。

繁殖突变雄性杂交果蝇活着

Phadnis及其同事喂养了55,000只雄性D. simulans果蝇一种引起突变的化学物质，交配突变D. simulans雄性与正常的D. melanogaster雌性，然后确定哪些突变基因允许一些雄性杂种生存。所有杂种雄性通常在从幼虫到蛹的过渡期间死亡，因此它们永远不会成为成虫。

由此产生的后代包括300,000只杂交雌性 - 它们是无菌但活着的 - 只有32只活的雄性杂种，也是不育的。只有6只活的雄性杂交种存活，因为突变导致尚未鉴定的杂种不育基因失效，因此其他26只未被分析。

然后，研究人员对这六只雄性杂交果蝇和两种亲本果蝇的基因组或基因蓝图进行了测序。然后，他们将六种活杂交雄性的基因组的D. simulans部分与D. simulans亲蝇的非突变菌株的基因组进行比较。这使得Phadnis及其同事能够识别六个活杂种雄性中每一个的600到1,200个新突变。

在Phadnis所说的“令人惊讶的清洁结果”中，研究人员发现只有一个D. simulans果蝇基因在所有六个活杂种雄性中都是突变体：第三个染色体上的基因名为gfzf。因此，来自D. simulans的gfzf基因是杂交不变性基因，通常有助于杀死杂交雄性，但允许它们在被突变沉默时存活。

研究人员还不知道gfzf基因在分子水平上的正常作用，但Phadnis计划接下来研究它。他还计划研究当两种果蝇物种交配时是否有更多的基因参与后代的遗传。为什么存在使杂交种存在的基因存在?自然选择不应随着时间的推移消除它吗?Phadnis说这些基因被选中用于其他一些特征 - 研究人员还不知道什么 - 并且“混合物的死亡是这种进化的偶然后果”。

Phadnis推测gfzf可能受到自然选择的青睐，因为它有助于控制所谓的跳跃基因，这种基因可以破坏必需的基因，从而产生导致疾病的突变。为什么了解一个物种如何成为两个新物种为何如此重要?“即使我们是小孩子，我们发现世界上最先发现的事情之一就是地球上物种数量和种类的多样性，”Phadnis说。“物种形成是产生这种多样性的引擎。因此，即使在达尔文时代之前，理解物种形成一直是一个长期存在的问题。现在，我们终于能够以创造性的方式利用技术来解决这些古老而长期存在的问题。”