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新的研究有助于解释为什么我们看起来像这样的基因基础

回顾30年前的麦金尼斯实验,我们可以找到解剖学外观基本发展的线索

哪些基因控制着使我们看起来像我们这样的决定性特征?和怎样他们做到了吗?

1990,加利福尼亚大学圣地亚哥分校生物学家William McGinnis进行了一项开创性的实验,帮助科学家揭开了HOX基因的高级控制基因如何塑造我们的外表特征。“麦金尼斯实验”有助于为理解Hox基因在决定从人类到黑猩猩到苍蝇等物种的统一外观中的作用铺平道路。

形象

从夏威夷火山国家公园采集的一种稀有果蝇。

McGinnis是细胞与发育生物学的名誉教授,曾任生物科学系主任,他帮助发现了一个被他称为“同源框”(homeobox)的DNA区域,该区域是基因中指导解剖发育的序列。自从现在著名的麦金尼实验以来,进化和发育生物学家一直在思考怎样这些极具影响力的Hox基因决定了不同身体部位的身份。

三十多年后,11月10日发表的一项研究,作为该杂志的特色封面科学进步由加州大学圣地亚哥分校博士后学者Ankush Auradkar领导,由合著者McGinnis和研究资深作者Ethan Bier指导,帮助回答关于Hox基因如何发挥作用的问题。

现在教科书上的McGinnis实验测试了人类或小鼠Hox基因产生的蛋白质是否能在果蝇中发挥作用。继此之后,新的研究利用现代CRISPR基因编辑来研究Hox基因功能的所有方面,包括蛋白质编码区和控制区,是否能在果蝇中被替代奥蒙实验室果蝇(黑腹果蝇)和一个稀有的夏威夷表亲的同类(拟态果蝇),它有一张完全不同的脸。

有问题的基因,喙足,这将清楚地揭示它自己,因为它指导着口腔中不同部位的形成,光滑而海绵状D.梅尔但在中国,它更像烤架(类似于《捕食者》科幻电影中外星人的脸)D.mim.

这项研究的合著者艾米莉·巴格尔首先收集了众所周知的难以繁殖的动物D.mim夏威夷火山国家公园的样本,以及唯一的本地水果(s水芹-夏威夷皂荚)为了在比尔的实验室里建立一个临时的群体,我们知道这些昆虫是吃的。Auradkar随后与合著者Sushil Devkota合作破译该基因的基因组序列D.mim喙足这个基因有将近44000个碱基长。研究人员随后删除了D.梅尔喙足基因并用D.mim版本相同。

形象

电子显微镜图像对比了普通果蝇光滑、海绵状的特征(左)和其较稀有的近亲夏威夷果蝇的烤架状特征。

正如麦金尼斯所预测的那样,新的研究结果揭示了人类优雅的面部结构D.梅尔以“胜利者”的身份出现在D.mim. 特征之一D.mim然而,在实验过程中,它们确实浮出了水面:一种称为上颌触须的感觉器官,从脸上伸出D.梅尔相反,它与喂食口器平行运行,就像它们在D.mim. Auradkar使用复杂的基因工具来确定这种差异的基础,并追踪到基因变异的模式喙足基因被激活(控制区改变)。

该实验的结果有助于回答长期存在的问题,即Hox基因是否作为支配生物体不同部位的“主”调控基因发挥作用。或者,正如McGinnis所提出的,Hox基因是否提供了抽象的位置编码,并作为下游基因的支架,从而对机体最有利。除了上颌骨触须外,新的研究结果表明,麦金尼斯的支架理论被证明是正确的。

形象

威廉·麦金尼斯,细胞与发育生物学名誉教授。

麦金尼斯说,除了对进化生物学的影响之外,研究结果还可以帮助解释根植于人类基本遗传过程中的发育问题。

“这些苍蝇研究提供了深入进化时间的窗口,并告诉我们在进化过程中身体计划改变的机制,”比尔说。“这些见解可能有助于更好地理解与人类先天性出生缺陷相关的过程。随着功能强大的基于CRISPR的人类治疗基因组编辑系统即将问世,新的策略可能会被制定出来,以减轻这些通常使人衰弱的疾病的一些影响。”

据比尔说,这些调查还提供了一个例子,说明基础科学的支持与人类福利之间的密切联系科学进步论文由Paul G. Allen前沿小组杰出研究者奖、国立卫生研究院资助R01 GM117321和来自塔塔信托基金在印度的TATA遗传学与社会研究所加利福尼亚大学圣地亚哥分校(TIGS- UC圣地亚哥)提供。这篇论文的作者是安库什·奥拉德卡、艾米莉·巴尔杰、苏希尔·德夫科塔、威廉·麦金尼斯和伊桑·比尔。

竞争利益注:Bier在他共同创立的两家公司中拥有股权:Synbal Inc.和Agragene,Inc.,这两家公司可能从研究结果中受益。他还担任Synbal的董事会和两家公司的科学咨询委员会成员。


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