古代基因重建與基因轉殖技術結合,推翻早期分子演化的假設

作者 | 發布日期 2017 年 02 月 23 日 10:44 | 分類 生物科技 follow us in feedly

來自美國芝加哥大學的科學家製作了第一隻帶有重建古代基因的基因改造動物,藉此來檢測過去演化所發生基因變化對於動物生理以及適應性的影響。這項研究成果已在 1 月中發表於《Nature Ecology & Evolution》,是以一項以基因為基礎所做的生物演化及適應性重要研究。研究結果推翻了先前被普遍接受的傳統分子演化及適應性的假設,他們發現果蠅之所以能夠分解腐敗水果內的酒精成分,並不是因為演化過程基因改變所導致,而是有其他原因造成的結果。



美國芝加哥大學生態及演化學研究生 Mo Siddiq 是這項研究的主要研究者,他表示,現代演化生物學主要的目的是為了要找到是哪些基因讓物種能夠適應新環境,但研究的過程往往非常曲折,因為科學家沒辦法測試生物體內的古代基因會受到怎麼樣的影響。但在這項研究中,研究團隊發現透過將兩種新開發的技術相互結合,便能解決這個問題──以統計數據重建古代基因,並以基因工程技術做基因轉殖動物。

由於至今大多數的分子適應(molecular adaptation)研究中,科學家會以基因序列分析找出基因中,代表該基因曾經因為天擇而產生快速變化的可能特徵,藉此判斷在演化過程中天擇造成的基因改變。然而,由於造成基因快速演化的可能原因很多,像是族群大小波動、偶發性的突變或適合當下環境的生物特徵功能被保留下來等,都使得這種研究方式找到的所找到的「證據」並不準確,很有可能只是巧合而產生的特徵,卻被誤認為是天擇造成基因改變的證據。因此,任教於芝加哥大學的生態與演化學及人類基因學教授 Joe Thornton 博士與他的學生 Siddiq 希望找到新方法,能夠直接的測試基因演化對於適應性的影響。

Thornton 在先前就已經領先運用重建物種古代祖先的基因技術,先以統計學方法比對資料庫中大量的現代基因序列,接著在實驗室中合成該序列並測試其特性。這樣的實驗策略使得他們能夠得到該基因生化功能,及其影響的機制層面資訊。Thornton 和 Siddiq 表示,當他們將古代基因重建以及基因轉殖工程技術結合,就能夠研究在過去所發生的基因改變如何影響了整個生物體的發育、生理以及適應性。

將生物「古代化」的實驗設計能夠解答許多演化上的問題。研究團隊選擇的第一個研究對象就是一個由來已久的經典生物適應例子──研究果蠅是如何演化出在腐敗水果內高濃度酒精環境下生存的能力。而研究結果顯示在這個案例中人們長久以來接受的「因為基因改變導致果蠅能夠適應高酒精環境」的說法是不正確的。

黑腹果蠅是在基因學以及演化學上研究得最完整的生物之一。野外的黑腹果蠅能在充滿酒精的腐爛水果中生活,比牠們生活在其他食物來源的近親們能忍受的最高酒精濃度還要高上許多。25 年前,芝加哥大學的生物學家 Martin Kreitman 與 John McDonald 發明一種以統計方法找出天擇留下痕跡的新方法,至今仍廣泛運用在分子演化學領域研究。

培育「復古」果蠅實驗

在這項研究中,研究者就以這套方法運用於果蠅產生能夠分解細胞內酒精的酒精去氫酶(alcohol dehydrogenase,Adh)基因。Adh 基因是一個明顯曾經發生快速改變的基因,而且在先前就已經知道黑腹果蠅分解酒精的速度比其他近親都還要快。因此,「酒精去氫酶(Adh)是果蠅之所以能夠適應高酒精環境的原因」就成了第一個被接受的「特定基因導致物種適應性演化」概念。因此,Siddiq 與 Thornton 打算以新技術來直接對這個既定的說法進行測試。

首先,Siddiq 推算出黑腹果蠅在大約二到四百萬年前,正演化出酒精耐性前後的 Adh 基因序列。用生化方法合成這些基因並表達,接著再以生化方法在試管內測試這些基因分解酒精的能力。實驗的結果十分出人意料,他們發現這些在果蠅演化出酒精耐性時發生的基因改變所產生具有差異的蛋白質,居然在實驗中測試不出明顯的差異。

Siddiq 又與來自威斯康辛大學的 David Loehlin 與內布拉斯加大學的 Kristi Montooth 合作,製作帶有重組古代 Adh 基因的基因轉殖果蠅。他們培育了數千隻「復古」的果蠅,接著測試牠們分解酒精所需要的時間長短,以及牠們的幼蟲與成蟲在含有高酒精食物內生存的情形。

研究結果同樣出人意料,這些基因轉殖果蠅中帶有越接近現代 Adh 基因的個體酒精分解能力,並沒有如原先設想中比帶有更早期 Adh 基因的果蠅好。甚至,帶有較現代 Adh 基因的果蠅在高濃度酒精環境下的存活機率也沒有比較高。也就是說,原先科學家們的假設在這些實驗結果中都不相符;黑腹果蠅的確在演化過程中發展出在高酒精濃度環境存活的能力,但不是因為酒精分解酶基因改變而使牠們獲得這樣的適應能力。

Thornton 對於實驗結果與長期以來的認知與假設不符的狀況表示,原先人們之所以普遍接受 Adh 基因的說法在於生態學、生理學以及根據天擇原則所找到的天擇特徵資訊都指向同樣的結論,但在這個例子中很顯然的打破原先的認知,構成這 3 種事實證據的原因並非只有一種解釋,不能輕易就下定論。這也就是為什麼科學家們希望能夠直接驗證假設,而非透過已知的事實來推斷原因。這項研究結果就是當科學家終於有了能夠直接驗證假設的方法,實際驗證過後推翻假設的例子。

Siddiq 與 Thornton 希望透過這種重建古代基因並轉殖到生物體內的實驗策略,在這個研究領域中做為判斷基因過去變化以及造成生物生理及適應變化的精準依據。

身為該領域資深研究者,芝加哥大學生態與演化學教授 Marty Kreitman 在這項研究中,也以他對果蠅基因學以及分子演化的大量知識幫助 Siddiq 進行研究。Kreitman 教授從研究一開始就對他們將進行的實驗感到十分興奮,且後來當 Siddiq 他們的研究結果推翻 Kreitman 自己先前所做的研究結論時,Kreitman 也同樣支持他們的研究,對此 Siddiq 表示他非常感動並且受到很大的啟發。

(首圖來源:Flickr/Katja Schulz CC BY 2.0) 

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