Science进化奇闻引热议

　　

生物通报道：胆固醇代谢基因的突变竟然使果蝇变得只能依赖一种特殊的罕见仙人掌存活，而且还是正向性选择的结果，这一奇闻发表在九月二十七日的Science杂志上。研究显示，尽管这种突变使果蝇丧失了饮食多样性，但它也能赋予果蝇一定的生存优势。

“我们普遍认为进化应该是拓展生物的生存条件，而这项研究中的突变却恰恰是一个限制性的，”未参与该研究的明尼苏达大学生物学家Michael O’Connor发表评论说，“看起来的确很奇怪。”

确实，一般人们认为代谢活性损失应该是偶然发生的而非自然选择的结果，然而这种Drosophila pachea果蝇与人们的传统认识完全相反，法国巴黎Jacques Monod研究所的进化生物学家Virginie Orgogozo解释道。D. pachea果蝇变得完全依赖一种只生长在美国西南部和墨西哥西北部的仙人掌senita cactus，Orgogozo及其同事希望找到这其中的原因。他们在研究中发现，D. pachea失去了将胆固醇转化为7DHC的能力，这是果蝇幼虫成熟所必须的激素合成的第一步。研究还显示，这种特殊的仙人掌senita cactus并不能产生胆固醇，不过它却是D. pachea所能利用的另一种固醇在沙漠中的唯一来源。不过研究人员还不清楚为何这种果蝇的饮食和代谢会受到这样的限制。

就在几年前，科学家们发现了将胆固醇转化为7DHC的酶。由于缺乏该蛋白的果蝇幼虫无法成熟，就像居住在梦幻岛永不长大的彼得.潘一样，科学家将这种蛋白命名为“Neverland梦幻岛”。 Orgogozo从梦幻岛蛋白着手，本以为在D. pachea果蝇的这种蛋白可能功能缺失或者甚至缺乏该基因。然而研究显示，D. pachea不仅含有梦幻岛基因，该基因的模式和表达水平都与其他果蝇相似。

不过通过测序，研究人员发现D. pachea的梦幻岛蛋白与其他果蝇相比发生了几个氨基酸的突变，其中的四个突变使该蛋白丧失了转化胆固醇的能力。不过这种突变的梦幻岛蛋白能够将罕见仙人掌中的另一种固醇lathosterol转变为7DHC。

令人称奇的还在后头，研究显示其实其他种属果蝇的梦幻岛蛋白也能够利用lathosterol，不仅如此，它们还能利用得更好。这说明D. pachea中的这四个氨基酸突变也损害了梦幻岛蛋白转化lathosterol的能力。

研究人员进行了序列分析，发现D. pachea的梦幻岛蛋白在个体间的序列多样性较低，这说明该基因是正向选择的结果。“当种群中出现新的突变时，如果这种突变具有优势就会迅速在种群间扩展开来，而不会花时间去累积新的突变” Orgogozo解释道。

随后，这种正向选择的推断得到了实验的支持。用D. pachea的梦幻岛蛋白取代D. melanogaster体内的梦幻岛蛋白，给受体果蝇带来了显著优势。与以正常胆固醇为食的野生型D. melanogaster果蝇相比，以lathosterol为食的D. melanogaster受体果蝇其幼虫成熟率更高。研究人员推测，可能这种效率较低的酶能够防止在错误的时机合成激素。

宾州州立大学遗传学家Stephen Schaeffer（并未参加该研究）提出了自己的看法，他认为D. pachea的梦幻岛蛋白可能是把双刃剑，“现在这可能是种优势，因为这种果蝇目前没有竞争食物的对手”，这是因为那种罕见的仙人掌不仅不产胆固醇，而且对D. pachea以外的果蝇有毒，“但一旦这样的栖息地受到破坏（这已经不是新鲜事了），这种仙人掌消失了，那么这种果蝇将很难生存下去。”Schaeffer说。

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Mutations in the neverland Gene Turned Drosophila pachea into an Obligate Specialist Species

Most living species exploit a limited range of resources. However, little is known about how tight associations build up during evolution between such specialist species and the hosts they use. We examined the dependence of Drosophila pachea on its single host, the senita cactus. Several amino acid changes in the Neverland oxygenase rendered D. pachea unable to transform cholesterol into 7-dehydrocholesterol (the first reaction in the steroid hormone biosynthetic pathway in insects) and thus made D. pachea dependent on the uncommon sterols of its host plant. The neverland mutations increase survival on the cactus’s unusual sterols and are in a genomic region that faced recent positive selection. This study illustrates how relatively few genetic changes in a single gene may restrict the ecological niche of a species.