中大新聞網(wǎng)訊（通訊員張玉琦）近日，中山大學(xué)中山醫(yī)學(xué)院陳小舒教授和生命科學(xué)學(xué)院賀雄雷教授合作團(tuán)隊(duì)在Molecular Biology and Evolution在線發(fā)表題為“Most pleiotropic effects of gene knockouts are evolutionarily transient in yeasts”的研究論文，對轉(zhuǎn)錄因子的敲除效應(yīng)進(jìn)行了全面的研究，以揭示多效性的進(jìn)化特征。
多效性是遺傳學(xué)的一個(gè)基本概念，指的是一個(gè)基因能夠影響多個(gè)表型特征的現(xiàn)象。最近的研究表明，許多基因具有多效性，這意味著單個(gè)基因可以引起多種生化和生理特征的改變，從而對生物過程產(chǎn)生廣泛的影響。然而，多效性會(huì)引起進(jìn)化限制。當(dāng)一個(gè)基因發(fā)生突變并同時(shí)影響多個(gè)性狀時(shí)，通常情況下，這種突變僅對某一特定性狀有利，而對其他相關(guān)性狀有害。由于進(jìn)化在很大程度上取決于相關(guān)性狀的整體變化，單一有利性狀的變化往往很難被發(fā)現(xiàn)并保留，因此多效性實(shí)際上限制了生物的進(jìn)化適應(yīng)。由此引發(fā)了一個(gè)令人困惑的問題：既然多效性可能會(huì)阻礙進(jìn)化，如此廣泛的基因多效性是如何起源和進(jìn)化的？
研究人員針對兩株釀酒酵母中的100個(gè)轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行了平行基因敲除實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地量化了這些敲除對基因表達(dá)水平的多效性影響。兩種菌株中的結(jié)果均表明，單個(gè)基因的敲除通常會(huì)影響多個(gè)基因的表達(dá)水平，證實(shí)了廣泛存在的多效性效應(yīng)。值得注意的是，敲除所導(dǎo)致的多效性效應(yīng)在不同遺傳背景的菌株之間變化迅速，其中約85%是非保守的。進(jìn)一步的分析表明，保守效應(yīng)往往與被敲除的轉(zhuǎn)錄因子在功能上直接相關(guān)，而非保守效應(yīng)似乎是更為臨時(shí)性的反應(yīng)。此外，研究人員還測量了這些敲除菌株的184個(gè)酵母細(xì)胞的形態(tài)特征，觀察到了與基因表達(dá)一致的模式。
由于基因敲除可以被視為一種突變，研究人員推測這種不穩(wěn)定的原因可以追溯到突變的適應(yīng)性過程。每當(dāng)新的突變出現(xiàn)時(shí)，它可能會(huì)以一種未知的方式擾亂細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)平衡，導(dǎo)致各種反應(yīng)。在這個(gè)過程中，自然選擇傾向于保留適應(yīng)性反應(yīng)，同時(shí)逐漸消除那些適應(yīng)不良或輕微有害的反應(yīng)。因此，多效性的低保守性可能是由于分化后各個(gè)遺傳背景中多效性功能快速喪失和獲得的結(jié)果。
為了驗(yàn)證這一假設(shè)，研究人員進(jìn)一步研究了由兩個(gè)菌株的約1000個(gè)雜交后代組成的群體中遺傳變異的多效性效應(yīng)。他們觀察到，新進(jìn)化的表達(dá)數(shù)量性狀位點(diǎn)（eQTL）比古老的eQTL影響更多基因的表達(dá)。這表明自然選擇正在逐漸消除適應(yīng)不良或輕微有害的多效性反應(yīng)。
基于這些發(fā)現(xiàn)，研究人員提出了一種新型的多效性進(jìn)化模型：大多數(shù)突變起源于高度多效性的天然狀態(tài)，進(jìn)化逐漸修剪有害的多效性效應(yīng)，僅保留適應(yīng)性和保守性效應(yīng)，使大多數(shù)多效性效應(yīng)在進(jìn)化上是短暫的。該模型表明多效性和進(jìn)化之間存在雙向作用，因此多效性對進(jìn)化的限制可能會(huì)在一定程度上得到緩解。此外，該研究關(guān)于基因敲除的多效性效應(yīng)在進(jìn)化上短暫存在的結(jié)果提示，大多數(shù)敲除效應(yīng)需要重新評(píng)估其生物學(xué)重要性，同時(shí)在理解表型效應(yīng)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮其保守性。
中山大學(xué)陳小舒教授和賀雄雷教授是該文章的共同通訊作者，團(tuán)隊(duì)成員劉黎副教授是該文章的唯一第一作者。
