다윈이 자연 선택 이론을 표현한 이후로, 진화론 적 참신 문제는 생물 학자들에게 흥미를 느꼈다. 자연 선택이 기존 특성을 재구성 할 수있는 방법을 이해하는 것은 비교적 쉽습니다. 뿔을 더 크게 만들거나 다리가 더 길거나 날개를 더 화려하게 만듭니다. 그러나 때때로 완전히 형성된 특성은 명백한 선행없이 푸른 색에서 보이는 것처럼 보입니다. 어디에서 왔습니까?
답의 일부는 오늘 Science 에 나오는 새로운 연구에서 찾을 수 있습니다. 그것은 단지 하나 또는 두 개의 새로운 유전자의 갑작스런 출현이 어떻게 유기체의 외관, 행동 및 생태 틈새를 심하게 변형시킬 수 있는지 보여줍니다. 발달 유전학, 진화 분석, 생체 역학 및 생태학을 사용하여 연구원들은 한 그룹의 수생 곤충 내에서 중요한 참신이 어떻게 진화했는지에 대한 그림을 그립니다. 그러나 진화론 혁신의 모델로서의 발견의 중요성은 동물 왕국 전체에서 확장 될 수 있습니다.
“사람들은 새로운 유전자가 새로운 유전자가 새로운 구조에 관여 할 수 있음을 비교 유전체학으로 보여주었습니다. 그러나 내 아는 한, 직접적인 링크는 새로운 유전자에서 완전히 새로운 생태 기회의 침입에 대한 새로운 구조로 확립된다는 것은 처음입니다.”라고 Lyon의 기능 유전체학 연구소의 진화론 적 및 발달 게놈 학자 인 Abderrahman Khila는 물 스트라이저라고 불리는 섬세한 곤충에 대한 연구를 이끌었습니다.
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물 스트라이더는 정지의 표면을 탐색하는 데 능숙합니다. 그들은 전 세계 연못과 호수를 가로 질러 미끄러집니다. 열대 속에있는 사람들 rhagovelia 그러나 빠르게 흐르는 흐름과 난류 화이트 워터를 걸어 다니는 방법을 알아 냈습니다. 그들의 비밀 자산은 다른 워터 스트라이더가 가지고 있지 않은 일본 팬과 비슷한 중간 다리의 특별한 확장 구조입니다. 팬을 배치함으로써 곤충은 다리와 수면과의 접촉을 증가시키고 물을보다 강력하게 밀어 넣을 수 있습니다. 영리한 적응이지만 rhagovelia 은 어떻게 했습니까? 다른 물 스트라이더에 선구자가 없을 때 구입하십시오.
다리 팬이 어디에서 왔는지 이해하기 위해 Khila와 그의 박사후 동료 Emília Santos는 두 명의 학생들과 함께 먼저 실험실에서 물 스트라이더를 양육하는 방법을 알아 내야했습니다. 계란에서 성인에 이르기까지 전체 수명주기 동안 곤충을 유지하는 방법을 알아내는 데 약 3 년이 걸렸습니다. 식민지가 설립되면 팀은 실험 준비가되었습니다.
킬라와 산토스 워터 스트라이더 및 전 사체를 시퀀싱했습니다. - 해당 조직에서 활성화 된 유전자의 전체 제품군. 팬은 두 번째 다리 쌍에만 존재하므로 연구자들은 두 번째 쌍의 유전자 활동을 첫 번째 및 세 번째 쌍의 유전자 활동과 비교했습니다. 그들은 두 번째 다리에서만 과발현 된 약 80-90 개의 유전자를 발견했습니다.
다음으로, 그들은 현장 하이브리드 화라는 방법을 사용하여 다리의 80-90 유전자가 활성화 된 위치를 고정시켰다. Khila와 Santos는 팬이 발달하는 두 번째 다리의 끝에서 구체적으로 발현 된 그룹의 5 개의 유전자를 확인했습니다. 5 개 중 3 개는 큐티클의 구조, 곤충의 외골격의 보호 외 층과 관련이있었습니다. 다른 두 유전자는 Paralogs로 보였다. DNA에서의 복제 사건의 결과 인 유전자. Paralogs의 기능은 알려지지 않았습니다.
두 파라 로그의 기능에 대한 단서를 찾기 위해 연구원들은 많은 물 스트라이더 종에 걸쳐 유전자를 찾았습니다. 수질기의 계통에서 유전자의 진화 역사를 살펴보면, 연구원들은 유전자의 조상 사본을 밝혀 냈으며 (최근의 복제와 구별), 중복이 나타 났을 때의 진화 시간에 순간을 못 박았습니다. 속. rhagovelia 의 물가들만 속은 중복 유전자를 가지고 있으며 다리 팬이있는 유일한 유전자입니다.
Khila는“팬의 진화는 그 유전자의 복제와 일치한다”고 말했다. “큰 흡연 총입니다.”
다리 팬은 일본 팬을 연구원들에게 상기시켜 주었기 때문에 그들은 새로운 Gene geisha를 부르기로 결정했습니다. 그리고 그 조상 버전 Geisha의 어머니 . 유전자가 무엇을하고 있는지 배우기 위해, 그들은 RNA 간섭이라는 방법을 사용하여 그 유전자의 발현을“노크”(또는 끄는). geisha의 녹다운 및 Geisha의 어머니 그 결과 곤충이 작고 초보적인 팬 만 만들었습니다. (두 유전자 사이의 강한 서열 유사성으로 인해 과학자들은 아직 다른 유전자 없이는 하나를 끄지 못했기 때문에 기능 간의 차이는 여전히 불분명하다.)
그런 다음 킬라와 산토스는 물 속의 곤충들에게 팬들이 무엇을하고 있는지 알아 내기 위해 도전했습니다. 그들은 4 개의 그룹을 비교했습니다. 그것은 팬이없고, 처리되지 않은 rhagovelia , Rhagovelia 팬이 외과 적으로 제거되었고 rhagovelia geisha 및 Geisha의 어머니 RNA 간섭에 의해 쓰러졌습니다.
연구원들은 곤충이 어떻게 두 개의 다른 물 환경에 대처했는지 관찰했습니다. 차분한 물에서 팬은 운동에서 속도 이점을 제공하지는 않았지만 팬이있는 물 스트라이더는 다리의 각 스트로크마다 더 멀리 갈 수 있습니다. Khila는“그래서 그들은 열심히 일하지 않고도 빨리 갈 수 있습니다.
그러나 흐르는 물의 어려운 환경에서 팬들은 중요한 이점을 제공했습니다. 곤충은 상류로 이동할 수 있었고 팬이없는 사람들은 현재에 휩쓸 렸습니다. rhagovelia 기초 팬 만 개발 한 녹아웃 유전자는 천천히 움직이는 물에 대처할 수 있지만 더 빠른 속도로 실패했습니다. 요컨대, 팬들은 원시적 형태조차도 rhagovelia 를 활성화시키는 데 중요했습니다. 밀접하게 관련된 종을 가로 질러 탐색하는 종, 밀접하게 관련된 종은 할 수 없었습니다.
Khila는 실험이 생체 역학, 전 사체, 진화 생물학, 생태학 및 발달 유전학을 모을 수있는 것은 드문 일이지만, 그 조합은 표현형 진화가 어떻게 발생하는지에 대한 완전한 답을 제공하는 데 필요한 것입니다.
.McGill University의 진화 발달 생물학자인 Ehab Abouheif는“이 시연의 통합적이고 학제 간 성격은 여기에서 눈에 띄는 것입니다. (Abouheif는이 연구에 관여하지 않았지만 2006 년에서 2011 년 사이에 Khila의 박사후 고문이었습니다.) Abouheif에 따르면 Khila는이 새로운 유전자가 물 스트라이더의 팬을 만들어 낸다는 것을 보여주지 않았습니다. 그는 또한“진화론 적 역사를 재구성 한 다음 상표 생태 학적 테스트를 수행하여 생태 기능이 있음을 보여줍니다.”
.Duke University의 진화 발달 생물학자인 Greg Wray는“이 연구는 정말 인상적입니다. “일반적으로 이와 같은 것이 일정 기간 동안, 아마도 다른 그룹에 의해 조립되고, 마지막으로 연결되는 마지막 조각이 있습니다. 이렇게 한 번에 프로젝트의 전체 아크를 가로 질러 기본적으로 갈 수 있다는 것은 인상적입니다.
"내가 흥미로 웠던 또 다른 것은 사람들이 유전자가없는 유전자 발현을 사용하여 명백한 특성을 유발하는 유전 적 변화를 정확하게 확대하는 경우가 많지 않다는 것"이라고 덧붙였다. "그래서 그것은 매우 인상적입니다."
물론, 유전자 geisha 및 Geisha의 어머니 격리하지 마십시오. Khila와 그의 팀은 이제 팬 구조를 일으키는 전체 발달 유전자 네트워크를 발견하기 위해 다른 유전자와 상호 작용하는 것을 찾으려고 노력하고 있습니다. Wray는 geisha 을 의심합니다 및 Geisha의 어머니 다른 목적을 가진 유전자 네트워크를 선택하고 있습니다. "이 두 유전자가 그 자체로만 구조를 만들고 있다고 상상하기는 어렵다"고 그는 말했다. "나는 그들이 개발에 다른 역할을하는 다른 유전자를 끌어 당기고 있다고 생각합니다."
.즉,이 연구에 익숙한 생물 학자들도 geisha 가 흥미 롭습니다. 및 Geisha의 어머니 발달에 알려진 역할이없는 새로운 유전자입니다. 인디애나 대학교 (Indiana University)의 진화 발달 생물 학자 인 Armin Moczek은“지금까지 [진화론 적 신념에 관한] 문학은 '오래된'유전자와 경로를 '새로운'맥락으로의 협력과 재구성의 예에 의해 지배하고있다.
Moczek은“나비 윙 지점에서 딱정벌레의 뿔에 이르기까지 수많은 다른 예에 이르기까지, 등장하는 이미지는 유전자, 발달 경로 및 형태 적 과정의 동일하고 매우 제한된 풀의 수정 된 재확인으로서 레고 창작물과 같은 유기체의 이미지입니다. “우리는 이제 협력을 통해 참신함이 가능해지기를 기대합니다. 이 논문을 보여주는 것은 새로운 유전자가 계속 중요하다는 것입니다.” 그는 밀접하게 관련된 종들 사이에서도 새로운 유전자의 갑작스런 출현은“생태 학적으로 중요한 혁신”을 촉진하는 데 도움이 될 수 있다고 말했다.
McMaster University에서 Fly Evolution을 연구하는 유전 학자 인 Ian Dworkin은 Evo-Devo Research의 문헌에서 진화론 적 변화에서 발달 메커니즘의 역할을 살펴 봅니다. 불분명 한 것은 풍부도가 자연에서 공동 옵션이 발생하는 빈도를 반영하는지 또는 그것이 확인 편견의 결과인지 여부입니다 (생물 학자들이 Evo-Devo를 연구하는 방법에 의해 도입 된 체계적인 샘플링 오류). "새로운 유전자를 의미하는 멋진 혁신을 보는 것이 좋습니다. 단순히 협동 이야기가 아닙니다." "이것이 정말 흥미 진진한 이유입니다."
Dworkin은 geisha를 삽입하고 활성화하는지 궁금합니다 및 Geisha의 어머니 stridulivelia , rhagovelia의 팬이없는 자매 속 , 다리 팬의 개발을 유발하기에 충분할 것입니다. 실험은 비 모델 유기체를 끌어 내기가 매우 어렵지만“그것이 그것이 핵심 유전자임을 보여주는 진정한 키커 일 것입니다.”라고 그는 말했다.
Abouheif는 진화 과학자들은 종종 오래된 유전자의 협력이나 독점적 인 대안으로서 새로운 유전자의 출현을 생각함으로써 틀에 박힌 것이라고 말했다. 그러나이 연구는 Evolution이 오래된 것의 재활용과 새로운 네트워크를 참신한 네트워크에 추가함으로써 모두가 혼합 될 수 있음을 상기시켜줍니다. 그는 연구원들이 숙고해야 할 문제는 다음과 같이 말했다.“이 네트워크가 어떻게 조립됩니까?”
