走出实验室的新进化见解

EMBL海德堡集团负责人贾斯汀·克罗克(JustinCrocker)的大部分职业生涯一直在发展和进化的界面工作。在克罗克领导的两项新研究中，科学家们展示了使用非标准实验室条件和合成生物学方法如何帮助我们了解调节表型发育和进化的基本机制。

在这方面，它们是不断增长的表型组学领域的一部分-系统研究生物体的特征以及它们在发育过程中以及对环境的反应如何变化和变化。鉴于气候变化等全球问题，表型进化变得特别有趣，许多动物面临着快速适应快速变化的环境的压力。

研究表型的意义

表型是生物体的可观察特征，如行为、外观、新陈代谢、基因表达模式等特征。它们是由基因型(DNA中包含的信息)与环境之间的相互作用引起的。任何生物体表现出的表型通常取决于关于哪些基因在何时何地表达的精确决定。

在这两份出版物中，克罗克小组及其合作者对一些关键过程提供了新的见解，这些过程决定了表型的稳健性和新表型在开发过程中的出现。

这些知识可以帮助研究人员更好地了解动物进化过程中多样性是如何出现的，甚至可以预测野生动物种群表型变化的生态和环境模式。

在实验室与“野生”中研究表型

生物学家经常在标准化的实验室条件下研究生物体，以确保严谨性和可重复性。然而，这也增加了错过效应的风险，这些效应只有在这些狭窄的条件范围之外才会变得明显。

使用果蝇胚胎和各种其他模型系统，克罗克和他的团队一直在证明在理解表型的发展和进化时超越标准化实验室条件和挑战既定假设的重要性。

该团队在他们的实验中使用了食物来源，其中包含在EMBL海德堡校园内和周围种植的水果，这些实验将自然环境和实验室环境联系起来，以了解表型的进化。

在他们的实验中，他们发现某种表观遗传标记H3K4单甲基化的丧失导致行为，基因表达，新陈代谢甚至后代产生速率的变化。

“这种表观遗传标记存在于整个基因组中，但其缺失似乎对基因表达几乎没有影响，这导致科学家假设它在正常发育和功能中没有发挥重要作用，”第一合著者AlbertTsai说，他是蒙彼利埃生物研究中心(CRBM)的团队负责人，克罗克实验室前博士后。

H3K4单甲基化几乎在每个细胞核中都普遍存在。“这让我们质疑，如果它实际上什么都不做，为什么会有这样的进化动力来创造这些标记，”蔡说。克罗克小组确信他们错过了什么。

科学家们观察到，H3K4单甲基化的丧失导致了变化，特别是当果蝇以天然食物来源为食时，包括在EMBL校园内和周围收集的水果。在没有这个标记的情况下，某些特征对环境条件和不同的遗传背景变得敏感。当暴露在高温下或某些背景基因发生突变时，生物体的反应同样不同。

“它挑战了目前尽可能标准化实验以专注于非常具体的条件的范式，”蔡说。“我们需要想出可控的方法，将更多的自然环境带入实验室。

合成生物学和表型研究

在第二项研究中，克罗克和他的团队首先质疑新的表型是如何出现的。这是进化生物学中的一个核心问题——为了让生物体积累环境选择的微小变化，必须有一种方法可以连续、快速、轻松地引入表型变异。

虽然我们的基因组经常随着时间的推移积累微小的变化(称为突变)，但这些变化并不总是导致表型或可观察到的特征的变化。

该团队首先研究了果蝇胚胎中各种基因的表达，这些基因在基因组的增强子区域中具有点突变-单核苷酸DNA变化。“我们很快开始意识到，虽然这些突变体的基因表达水平发生了变化，但它总是保持在相同的区域内，”该论文的第一作者，克罗克实验室的前博士后RafaelGalupa说。

换句话说，如果一个基因通常在肠道中活跃，例如，其表达水平会因突变而增加或减少，但不会转移到不同的组织，例如肌肉。“所以我们开始想知道，在其他地方表达需要什么?”Galupa说，他目前正在图卢兹(法国)的CentredeBiologieIntégrative建立他的独立实验室。“最终在进化过程中，你如何获得新功能?”

接下来，研究小组将完全随机的序列引入基因组。在自然环境中，由于病毒或转座子(在基因组不同部分之间积极移动的移动遗传元件)，基因组中可能会出现随机DNA序列。

令研究人员惊讶的是，通过他们的合成DNA方法，他们发现随机序列很容易驱动基因表达，并且在胚胎的所有部分。

“我们已经谈论这样做很长时间了，每个人都认为这有点疯狂。然后我们继续这样做，“克罗克说。“在该领域，我们经常思考表达是如何产生的，如何激活基因等。这项研究让我们想到，如果任何随机序列可以驱动表达，并且我们有一个拥有数百万个序列的基因组-也许问题不是你如何产生表达，而是你如何抑制或控制它。

在未来的研究中，克罗克实验室将继续深入研究将基因型和环境与表型联系起来的机制。