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当两个比一个更好时……
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/ R9 f: M) ~% D9 e0 [* F6 |Courtney C. Babbitt, Ralph Haygood and Gregory A. Wray
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) [3 `0 u) O# U* M. l, F jCell, 131, 225 – 227, October 19, 2007
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# z' @* m6 l z' x5 A( ~: ]6 B 长期以来人们认为基因重复是适应性进化和表型进化的一个重要途径。Hittinger和Carroll在Nature的报道第一次提供了在基因重复之后，在调节区域和蛋白质编码区域中有关适应性的清晰例子。这种组合式进化变化显然可以解决适应冲突，从而增加生物的适应性。
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/ }: K6 w4 L" M5 t9 ?3 `. E+ W 在一种功能必须与另一种功能相关联时，可在进化的战争中捕捉到有一种以上功能的基因。很早以来基因和基因组重复就被认为是打开适应性死结的重要方式。根据中性理论发展出了基因重复的原始理论：一个基因会限定于执行原有的功能，该基因的另一个同源共生基因则不受选择的限制，可以有新的功能。几十年后已搞清楚许多基因常通过变换输入、剪接或翻译后加工，在基因重复之前便有一种以上的功能。最近的模型重视这些过程，用来解释被重复的基因的存活。例如，重复、降解和互补(DDC)模型认为具有某些原始功能的同源共生基因，可以通过调节序列的互补丢失而被保留，不需要自然选择。例子之一是斑马鱼的Hoxb1同源共生基因Hoxb1a和Hoab1b，它们显然在多骨鱼全基因组重复之后发育形成次级功能。在同源共生基因之间由于在顺式调节位点的互补退化突变而进一步分化出Hoxb1a和Hoab1b表达结构域，而大多数蛋白质功能在重复之后一般可保留下来。这种调节异变与无适应性的DDC类过程相吻合。然而在自然选择和退化的某些方面，如自然选择对在调节位点的突变还是对在编码位点的突变起作用以及它与适应性的关系，仍是悬而未决的问题。
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Hittinger和Carroll在其最新研究中报道了通过基因重复解决适应冲突的特定遗传变化的证据。他们详细解析了在得到深入研究的芽生酿酒酵母半乳糖代谢途径中，基因重复之后在调节区域和蛋白质编码区域中发生的变化，揭示了两个基因重复模型的细节。酿酒酵母基因GAL1和GAL3可能是在全基因重复过程中产生的同源共生基因，大约产生于100万年之前。Hittinger和Carroll使用不发生全基因组重复的另一类酵母品系乳酸克鲁维斯酵母(K. lactis)，研究了这些同源共生基因的功能进化。这种酵母的KlacGAL1基因有酿酒酵母GAL1和GAL3的功能。GAL1和GAL3属于酵母中的一个众所周知的基因网络，其产物在无葡萄糖时可代谢半乳糖。GAL1为半乳糖激酶Gal1p编码，GAL3为辅诱导物Gal3p编码。Gal3p可螯合GAL1的抑制蛋白Gal80p，使GAL1能被Gal4p激活。在K. lactis中上述途径类似，但KlacGAL1只为蛋白KlacGal1p编码，KlacGal1p有半乳糖激酶和辅诱导物双重功能。
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Hittinger和Carroll使用灵敏的竞争生长测定，研究了在调节区域和在蛋白质编码区域中，KlacGAL1基因重复的功能。尽管在这种途径中Gal1p和Gal3p都可以是辅诱导物，但在酿酒酵母中只有Gal1p有半乳糖激酶的功能。编码区域中基本功能的改变可能与一个丝氨酸—丙氨酸(SA)二肽有关。SA插入到活性位点可使Gal3p有某些半乳糖激酶功能。然而在竞争生长测定中，当有半乳糖存在时，带有SA二肽的Gal3p由于比Gal1p的酶反应速度慢而呈现适应缺陷。野生型KlacGal1p也呈现适应缺陷，但这明显是由于在酿酒酵母中超量表达KlacGal1p造成了毒性。Hittinger和Carroll测试了是否带有Gal3p的酵母的适应缺陷来自于SA二肽造成的适应冲突，结果发现并不是这样。相反，从Gal1p和KlacGal1p中除去SA残基会造成其辅诱导功能低于野生型。这些作者的结论是这属于“上位显性标志”。在这种情况中，适应性影响依赖于蛋白质中其他位点的其他变化。使一个蛋白质适应性增加的突变可使另一个相似的蛋白质的适应性降低。# @" t; t) J4 [
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Hittinger和Carroll也研究了调节的变化，这很明显是更古老的基因重复后发生的变化。在种系形成过程中，这些变化显然与GAL1和GAL3的调节区域的次级功能及稍后的最佳化调整有关。他们发现在诱导条件下，用Gal1p置换Gal3p导致适应性下降到低于野生型的水平。此外，这个菌株要比失去GAL3编码序列和启动子的菌株的活性更强。这可总结为GAL1和GAL3也在其启动子PGAL1和PGAL3有次级功能。在诱导条件下从PGAL1表达的Gal3p太少，不能形成有效的代谢。PKlacGAL1也要比现代酿酒酵母PGAL1弱。在诱导条件下从PKlacGAL1表达的Gal1p是从PGAL1表达的相同蛋白的50%，使适应性减少约10%。这些结果说明在PGAL1中发生过适应性突变，使其诱导能力增强。
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为了详细分析解决适应冲突的分子机制，Hittinger和Carroll又测试了在酿酒酵母和乳酸克鲁维斯酵母GAL1启动子中，在Gal4p结合位点的适应性和螺旋相位之间的关系。在GAL1活化过程中，Gal4p结合位点螺旋间隔的重要性已有许多文献记载。在PGAL1中，三个核心Gal4p位点在双螺旋的同一侧。在PKlacCAL1中，Gal4p位点处于两侧。Hittinger和Carroll通过将PKlacGAL1修改成PGAL1所具有的空间间隔，测试结合位点（相位）的进化改变造成的后果。他们发现诱导和非诱导表达都有增加。这些结果表明，在基因重复后通过启动子的次级功能，再通过PGAL1的相位变化来优化半乳糖代谢，可解决适应冲突。
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1 z8 ~" l% ?& D* d2 j0 B" d. C3 U 这些突变的实际生态关系尚不清楚。Hittinger和Carroll发现在K. lactis中，修饰的PKlacGAL1可在高浓度的半乳糖和乳糖中执行野生型PKlacGAL1的功能。在这个品系中，对辅助诱导功能的限制可由半乳糖激酶功能弥补。在K. lactis的野生环境中所具有的各种条件可能不利于缩小的Gal4p的间隔，这可以解释该品系100万年来从共同祖先演化形成的Gal4p结合位点的分布。对于研究基因功能进化的这类研究和其他研究来说，理解在生态学相关条件下，基因重复如何影响适应性是重要的下一步。
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9 y E- F6 I7 B- {) x8 w: F; {! O本文转自建人先生原创，感谢 |
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发表于 2009-4-28 21:30
发表于 2015-5-21 15:43
