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杂种功能障碍的遗传起源

杂种功能障碍的遗传起源

在墨西哥伊达尔戈的两个瀑布之间的一个小池塘里,住着一群杂交鱼——这是高地和羊头剑尾数代杂交的结果。斯坦福大学(Stanford University)生物学助理教授莫利?舒默(Molly Schumer)的实验室多年来一直在收集这些鱼类,以研究杂交鱼类的进化。

舒默说:“我们刚刚意识到,杂交会影响生命之树的所有物种,包括我们自己的物种——我们中的许多人携带的基因来自尼安德特人和丹尼索瓦人。”他指的是两个与我们的祖先杂交的远古人类物种。“了解杂交以及基因在不同物种间的迁移可能产生的积极和消极影响,对于了解我们自己的基因组以及我们与之互动的其他物种的基因组非常重要。”

在5月14日发表于《科学》(Science)杂志上的一篇新论文中,研究人员确定了导致黑色素瘤的两种基因,这种黑色素瘤通常发生在雄性高地羊头杂交羊的尾巴附近。这是第二次发现脊椎动物的特定基因导致了混合功能障碍。(科学家将脊椎动物的混合功能障碍缩小到单基因水平的另一个例子是欧洲及其近亲的长期杂交小鼠。)

一个特殊的群体

人们早就知道两个不同物种的后代往往有遗传缺陷。例如,驴和马杂交的骡子不能生育。具有讽刺意味的是,为了找到导致这种功能障碍的基因,研究人员需要足够健康的杂交后代,以便在最初的杂交之后能够繁殖几代。否则,它们来自亲代物种的基因组片段是如此之大,以至于几乎不可能追踪任何一个基因的影响。

这就是为什么高地羊头混血儿是一个特殊的案例研究。它们已经杂交了大约45代,产生了包含更小的亲代DNA片段的基因组,在单基因水平上更容易检测。

杂种功能障碍的遗传起源

为了找到杂交鱼类黑色素瘤的基因,研究人员首先将注意力转移到纯羊头剑尾和黑斑的遗传起源上,这些鱼中有些会发育成黑斑,虽然不是癌症,但与杂交鱼类黑色素瘤的位置相同。他们分析了近400条鱼的基因组,将黑点与一种名为xmrk的基因联系起来。在此基础上,研究人员得出结论,与没有黑色素瘤的杂交鱼类相比,xmrk在有黑色素瘤的杂交鱼类中也有更高的表达,这可以解释他们在纯羊头和杂交鱼类中所研究的斑点中75%的变异。

研究人员还发现,另一种名为cd97的基因(有些杂交雀种从它们的高地剑尾祖先那里遗传而来)在高地剑尾和杂交雀种中比在羊头剑尾中表达得更高。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,尽管这两种基因都与亲代剑尾鱼的黑色素瘤无关,但它们都与其他动物的癌症有关。例如,在远亲剑尾混血种中,xmrk与另一个基因(不是cd97)相互作用,导致黑色素瘤,而与cd97相关的基因与人类癌症有关。

综上所述,这些发现产生了一个令人困惑的画面。鲍威尔说:“我们最终形成了相互竞争而不是相互排斥的关于杂种不相容和疾病的观点。”“我们已经证实,某些基因可能很容易在不同物种中分解——考虑到进化的随机性,这是令人惊讶的。”但我们也有证据表明,类似的功能障碍有多种遗传原因。”

这是最好的项目

舒默说,当她把研究重点放在杂交上时,她冒了一点险,但她的赌注得到了回报。

“当我2011年开始攻读博士学位时,人们真的不认为杂交在动物中很常见。最著名的例子是骡子和果蝇。舒默说。他是这篇论文的资深作者,也是斯坦福大学生物x项目的成员。“我们现在达成的是科学界最好的一种项目:它提出的问题比答案多得多,会把你引向许多不同的方向。”

通过未来的工作,研究人员想要弄清楚为什么黑素瘤的杂交剑尾鲨在野外和圈养环境中存活的可能性更小。他们也很好奇为什么这么多的鱼都有黑素瘤——可能是因为在选择配偶时,雌鱼更喜欢有黑素瘤产生的大黑点的雄鱼。他们已经提出了一些想法,以进一步了解基因在杂交后代中是否会以可重复的方式出错,或者他们在xmrk和cd97中发现的结果是否更接近于巧合。

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