Science：新基因如何站稳脚跟

　　

生物通报道：Fred Hutchinson癌症研究中心的科学家首次阐明了，一个新基因短暂而戏剧性的演化之旅，指出原本可有可无的新基因，可以在较短时间内演化成为细胞的必需基因，文章发表在六月六日的Science杂志上。

研究人员在果蝇中向人们展示了，基因快速转变而获得重要功能的过程。长期以来，人们一直认为古老的基因更为重要，而这项研究对这一观点提出了挑战。“以前我们过于重视老基因，对新基因关注不多，”文章的资深作者Harmit Singh Malik博士说。

在一个基因的漫长生活史中，基因突变得越少，说明它扮演的角色越关键。但这一命题反过来却并不一定正确，因为快速演化的年轻基因也可能是细胞不可或缺的。2010年芝加哥大学的科学家们曾惊讶的发现，新基因与老基因以相同的比例获得必要性功能，但此前人们并不了解这一现象背后的生物学机制。

Malik及其同事对此进行了深入研究，解析了一个新基因诞生、获得新功能并演化成为必需基因的过程。在常用模式生物黑腹果蝇中，源自HP1B基因的Umbrea基因比较年轻，仅出现于一千五百万年前。对于果蝇的必需基因来说，一千五百万年不算什么，这些基因的年龄大多是Umbrea的四到五倍，有些重要基因甚至超过十亿年。

科学家们将Umbrea与HP1B基因进行比较，分别检测这两种基因的蛋白产物。研究显示，这两种蛋白都位于染色体上，其中Umbrea蛋白特异性结合着丝粒。着丝粒是在细胞分裂时，帮助染色体复制和分离的特化结构。

对于黑腹果蝇来说，HP1B蛋白并不重要，但它需要Umbrea蛋白才能生存。研究人员发现，缺乏Umbrea蛋白的细胞，无法在分裂时正确分配染色体。随后，他们在不同的果蝇种属中检测Umbrea基因的差异。研究显示，一小段DNA的延伸让Umbrea基因变得不可或缺。

这项研究揭示了，Umbrea完成快速转变并获得新功能的机制，可以帮助科学家们理解细胞中的其他类似过程，例如着丝粒蛋白的演化等等。此外，一些基因能通过突变，成为癌细胞生存的必需基因，这些癌基因的演化非常之快。

人们一直将模式生物作为研究人体的窗口，而这项研究指出了其中的潜在局限性。尽管在模式生物和人类中，的确有不少基因执行相似的功能，但科学家们也忽视了人类所独有的基因，而这些基因仍可能是至关重要的。举例来说，黑腹果蝇的生存需要Umbrea，但它的一些近亲却完全缺乏这一基因。研究人员指出，特定种属或组织类型（如癌细胞）中的必需基因，可能在其他种属或组织中并没有那么重要。

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Stepwise Evolution of Essential Centromere Function in a Drosophila Neogene

Evolutionarily young genes that serve essential functions represent a paradox; they must perform a function that either was not required until after their birth or was redundant with another gene. How young genes rapidly acquire essential function is largely unknown. We traced the evolutionary steps by which the Drosophila gene Umbrea acquired an essential role in chromosome segregation in D. melanogaster since the gene's origin less than 15 million years ago. Umbrea neofunctionalization occurred via loss of an ancestral heterochromatin-localizing domain, followed by alterations that rewired its protein interaction network and led to species-specific centromere localization. Our evolutionary cell biology approach provides temporal and mechanistic detail about how young genes gain essential function. Such innovations may constantly alter the repertoire of centromeric proteins in eukaryotes.