脂肪酸延长酶eloF的调控变化驱动果蝇性信息素谱的性别特异性进化

本研究揭示了果蝇Drosophila prolongata中脂肪酸延长酶eloF的顺式调控变化如何导致性别特异性信息素谱的进化。通过比较转录组分析、CRISPR基因编辑和转基因实验，研究人员发现eloF在雄性中的特异性高表达促进了长链碳氢化合物(9P和9H)的合成，这些化合物作为性信息素影响交配行为。该研究为理解动物性通讯的分子进化机制提供了新见解。

　　

在动物界，性信息素在调节性行为中扮演着关键角色。果蝇等昆虫的体表碳氢化合物(CHCs)常表现出性别二态性，其中一些已被证实具有信息素功能。然而，除了模式物种黑腹果蝇(D. melanogaster)外，人们对性别特异性CHC产生的遗传控制知之甚少。Drosophila prolongata与其近缘种相比，在CHCs和负责感知这些化合物的化学感受系统方面都表现出显著增加的性别二态性，这一进化变化为研究性通讯的遗传基础提供了理想模型。

加州大学戴维斯分校的研究团队发现，D. prolongata雄性中长链CHCs比例的增加是一个关键进化转变。通过行为实验证实，这些雄性偏好的长链CHCs(9-二十五碳烯[9P]和9-二十七碳烯[9H])作为性信息素发挥作用。比较转录组分析显示，D. prolongata雄性中多个参与CHC生物合成的基因表达上调，特别是脂肪酸延长酶eloF。基因编辑实验表明，eloF突变导致长链CHCs减少，部分"雌性化"了雄性的信息素谱。转基因实验进一步揭示，eloF的性别偏向表达部分是由其调控区域中一个类似转座元件的"honghaier"插入引起的。这些结果发表在《BMC Biology》上，阐明了性通讯进化的遗传机制。

研究人员采用的主要技术方法包括：比较转录组分析(RNA-seq)鉴定差异表达基因；气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)测定CHCs组成；CRISPR/Cas9基因编辑构建eloF突变体；转基因报告基因系统分析调控元件活性；定量PCR(qPCR)验证基因表达模式；以及行为学实验评估信息素功能。样本来自D. prolongata和其近缘种D. carrolli的性成熟成虫。

研究结果分为以下几个部分：

背景：性信息素在性选择和性别二态性进化中起关键作用。D. prolongata表现出多种衍生的性别特异性特征，包括高度性别二态性的CHC谱。与近缘种相比，D. prolongata雄性中长链CHCs(9P和9H)显著增加，短链9-二十三碳烯(9T)减少。

用雄性特异性信息素处理雌性降低交配成功率：实验表明，给处女雌性添加合成的9P或9H(模拟雄性信息素谱)会显著降低交配成功率，证实这些长链CHCs在性通讯中的功能作用。

基因表达显示D. prolongata比D. carrolli具有更强的性别二态性：RNA-seq分析发现526个基因在D. prolongata两性间差异表达，其中脂质代谢相关通路显著富集。与D. carrolli相比，D. prolongata雄性中多个参与CHC合成的基因表达上调。

性别二态性和物种偏向基因富集于脂质代谢功能：GO分析显示，长链脂肪酰辅酶A代谢过程(GO:0035336)等脂质相关通路在D. prolongata雄性中显著富集，包括7个脂肪酸还原酶(FARs)和6个脂肪酸延长酶(FAEs)。

候选基因在D. prolongata中表现出更强的雄性偏向：通过三向比较筛选出53个候选基因，其中39个在D. prolongata雄性中高表达。这些基因在基因组中形成局部簇，如包含eloF的延长酶基因簇。

脂肪酸延长酶eloF在D. prolongata中表现出极强的雄性偏向表达：qPCR验证显示eloF在D. prolongata雄性中的表达比雌性高3413倍，比D. carrolli雄性高82倍。这种表达模式具有组织特异性，在头部表达量极低。

eloF缺失部分雌性化雄性D. prolongata的信息素谱：CRISPR产生的eloF突变体(包括45bp缺失和提前终止突变)导致雄性中长链CHCs(9P和9H)减少，短链9T增加，使信息素谱部分"雌性化"，但不影响总CHC含量。

包含eloF的延长酶基因簇是保守的：比较基因组分析显示eloF所在的基因簇在rhophaloa亚群物种中高度保守，且编码区没有固定氨基酸差异，表明调控变化是表型差异的主要原因。

D. prolongata特异的转座元件插入eloF：在eloF下游区域发现一个~900bp的"honghaier"插入，包含doublesex(dsx)和bric-a-brac(bab1)转录因子结合位点，该插入在其他近缘种中不存在。

eloF下游区域驱动基因在oenocytes中的表达：转基因实验表明，来自D. prolongata的eloF等位基因在D. melanogaster中驱动性别二态性表达，但方向与在D. prolongata中相反，说明其调控依赖于物种特异的反式因子。

这项研究揭示了eloF顺式调控变化在D. prolongata性别特异性信息素谱进化中的关键作用。与D. melanogaster中eloF促进雌性特异性长链CHCs合成不同，D. prolongata中eloF在雄性中的高表达导致雄性特异性长链信息素增加。这种表达模式的转变与"honghaier"转座元件插入等调控序列变化相关。研究还发现其他脂质代谢基因(如FARs)的表达变化也参与这一过程，表明性信息素谱的进化涉及多个基因的协同调控。

该研究的创新性在于首次在非模式果蝇物种中阐明了雄性特异性信息素产生的遗传基础，为理解动物性通讯系统的进化提供了分子层面的见解。发现转座元件插入可能通过引入新的调控元件驱动基因表达进化，扩展了我们对基因组可塑性与行为进化关系的认识。这些结果不仅对进化发育生物学有重要意义，也为研究化学通讯的物种形成作用提供了新视角。