颤抖吧小虫子 颤抖吧小虫子 2023-07-06 21:58 发表于北京
了解物种形成的遗传基础是进化生物学的一个主要目标。杂交功能障碍(Hybrid dysfunction)被认为最常见的是通过两个或多个基因座的等位基因之间的负向相互作用产生的(negative epistasis)。影响基因表达的相互作用的调控元件之间的差异（即调控差异）可能是这些负向相互作用产生的一个常见途径。本文回顾物种间的调控差异(regulatory divergence)如何导致杂交功能障碍，包括最近对这一模型的理论支持。然后讨论了物种间调控差异的实验证据，并评估了调控错误(misregulation)作为杂交功能障碍的来源的证据。最后，回顾了基因调控中尚未解决的问题，因为它与物种形成有关，并指出了可以从未来研究中受益的领域。
Trends
模拟研究表明，当选择作用于调控途径时，杂交的不相容性(hybrid incompatibilities)可以迅速进化。
基因组方法已经确定了物种之间广泛的顺式和反式调控差异。
顺式-反式调控差异随着系统发育距离的增加而增加，并与种间杂交的错误表达(misexpression)有关。
许多已知的杂交不相容基因要么具有推定的调控功能，要么在杂交种(hybrids)中错误表达。
了解物种形成的遗传基础是进化生物学中的一个长期问题。内在的合子后隔离(intrinsic post-zygotic isolation)进化的主要模型推测，杂种不育(hybrid sterility)或不能存活(hybrid inviability)是由于不同基因座的等位基因在杂交种中结合在一起时产生的负向相互作用。基因表达的调控本质上是基于基因座之间的相互作用，这就提出了杂交种中基因调控的破坏是合子后隔离的一个常见机制的可能性。尽管有越来越多的证据表明，基因调控的变化在适应性中起着突出的作用，但调控进化(regulatory evolution)在物种形成中的作用却没有得到足够的重视。本文在此评估了调控进化在物种形成中的作用，并且从最近的理论和实验研究中提出，基因调控的变化在内在的合子后隔离中起着重要作用。虽然本文重点是合子后隔离，但作为适应性差异的副产物，调控分化在建立其他生殖隔离方面也可能发挥重要作用（如，生态分化-ecological speciation）。
杂交功能障碍的单位点模型都存在这样的问题，即降低杂合子适合度的突变（从而导致生殖隔离）不太可能在新的种群中建立起来。这个问题被Bateson、Dobzhansky和Muller所认识到，他们反而认为杂交功能障碍可能是由两个或多个基因座上的等位基因之间的负相互作用引起的。在Bateson-Dobzhansky-Muller（BDM）模型中，在自己的遗传背景中具有适应性或中性的等位基因与另一遗传背景中一个或多个位点的等位基因不相容（图1）。因此，分化的种系可以在不损失任何适合度的情况下积累替换。现在，这种内在的合子后隔离的模式得到了强有力的实验支持。
在祖先群体中，基因型为AABB。在两个种群隔离后，如星号所示，新的突变在每个种系上独立产生。在一个种群中，A演变为a，在另一个种群中，B演变为b。在杂交种中，a和b等位基因之间的负相互作用会导致不育或不能生存。在杂交种中第一次发现a和b等位基因在一起，解释了这种不相容性是如何演变的，而其中任何一个种系都没有经历不育性降低的中间状态。
基因调控是指细胞控制基因产物（即RNA或蛋白质）产生的特定数量的过程。基因调控是一个复杂的过程，涉及到DNA序列、RNA分子和蛋白质的相互作用，以及表观遗传的修饰。由于调控元件的相互作用是生物体功能所必需的，因此相互作用的调控元素被认为是共同适应的(co-adapted)。当调控元件之间的共同适应的相互作用被破坏时，这些元件的下游靶标可能会被错误地调控。虽然任何一对调控元件或序列之间的相互作用被破坏可能导致杂交不相容，但转录起始过程受到的关注最多。虽然我们主要关注的是转录控制，但影响基因调控的其他层次（如翻译）的调控元件之间的差异也可能在物种形成中起作用。
转录是由顺式调控元件(cis-regulatory elements)和反式作用因子(trans-acting factors)的相互作用来调节的。顺式调控元件是一段非编码DNA（如启动子、增强子），作为反式作用因子的结合位点来调控mRNA的丰度。在最简单的情况下，反式作用因子是转录因子蛋白，尽管其他蛋白也被认为可以反式作用来调节基因表达。顺式调控区或转录因子的突变可以影响mRNA的丰度。转录因子经常与多个下游目标序列相互作用，因此可能具有多效性(pleiotropic)。相反，一个基因可能有多个顺式调控区，以组织和环境特定的方式对其进行调控。因此，顺式调控区的变化被认为比它们所结合的转录因子的变化更不具有多效性。顺式调控区的模块化使人们认为这些区域的变化可能在表型进化(phenotypic evolution)中发挥巨大作用，这一观点现在得到了实验研究的支持。然而，虽然转录因子被认为比顺式调控区进化得慢，但与其他基因类别相比，它们可以快速进化。转录因子蛋白的变化也与新表型的进化有关。
尽管转录变异在表型进化中的作用，但mRNA水平往往在长时间尺度上受到制约。物种间mRNA水平的全基因组比较显示，与中性预期相比，差异普遍减少，这表明转录物水平的变化经常是有害的。尽管存在对转录物水平的制约，但基因调控网络本身在物种间不一定有很好的保守性。有趣的是，来自酵母、蠕虫和鱼类的mRNA丰度数据表明，表达进化最符合稳定选择的 "纸牌屋"模型，其中突变通常有很大的影响，超过现有的遗传变异。因此，影响mRNA丰度的突变可以使进化的纸牌屋倒塌，并导致基因调控网络中共同进化的顺式和反式因子之间发生一连串的变化。
鉴于这些理论和实验上的考虑，作为基因调控网络基础的上位相互作用可能导致杂交种的功能障碍。在最简单的情况下，调控的不相容性可能是由于(i)种系之间相互作用的元件的独立分化（图2A）或(ii)元件之间的种系特异性共同进化（图2B）。在第一个模型中，种群对漂变、平行或相反的定向选择作出不同的反应。一个种群固定了顺式调控变化，另一个种群固定了一个反式变化。在第二种模式中，影响表达的顺式变化被相互作用的反式因子的变化所补偿，或者反之亦然。在任一模型中，杂交种中不同调控元件之间的负向相互作用可能导致下游靶标的错误调控。更复杂的模型可能是包括两个种系的顺式和反式变化或两个以上基因座之间的相互作用。
（A）和（B）是杂交不相容性的双位点模型的示意图。每个杂交不相容性都是顺式调控区和反式作用因子之间的分子相互作用的结果。相互作用的调控元件之间结合的变化影响下游基因的表达。星号代表沿着一个种系成为固定的突变。(A）一个物种的顺式调控区和另一个物种的相互作用的反式因子的变化导致了杂交功能障碍。这个例子中的差异可能是漂移或选择的结果。在杂交种中，(iii)所代表的结合构象导致错误的调控，而(i), (ii), and (iv) 产生正常的转录输出。(B)顺式和反式调控元件之间的种系特异性共同进化导致了杂种功能障碍。在这个例子中，顺式的变化之后是反式的补偿性变化，以掩盖第一个突变的有害影响。在杂交种中，由(iii)代表的结合构型导致了错误的调控。由(ii)代表的结合构象导致与亲本相比表达量减少，而由(i)和(iv)代表的结合构象则导致与亲本相同的表达。
最近的模拟和数学模型表明，如果自然选择在起作用，这些类型的调控不相容性可以快速进化。特别是，当顺式和反式调控元件在正向选择(positive selection)下出现差异时，调控不相容性将作为适应的副产物而迅速演变。在稳定化选择(stabilizing selection)的模式下，不相容性的演化会更慢，在这种模式下，补偿性(compensatory)的变化会跟随遗传漂移变化。由于转录因子经常调节许多基因的表达，对立的选择压力可能会限制功能的分化，减缓调节不相容性的进化。然而，最近有研究表明，即使转录因子受到适度的多态性约束，也有可能出现大量的杂交错误调控。
最近的基因组研究发现了物种间转录调控差异的大量证据。通过比较物种之间的转录因子结合位点，可以推断出假定顺式调控区域的差异。虽然转录因子结合位点的丢失和增加在进化过程中一般都很迅速，但对单个顺式调控元件的研究表明，尽管序列有很大的差异，但调控功能仍保守。这一观察结果可以用功能补偿性突变的固定来解释。
影响单个基因表达的调控差异也可以通过种间杂交推断出来。在F1杂交后代中，两个等位基因之间转录物丰度的差异表明，该基因座上亲本之间的差异是由于顺式的变化造成的，因为F1中的两个等位基因处于一个共同的反式环境中（图3A）。相比之下，如果F1中的两个等位基因显示相同的转录物丰度水平，这表明亲本之间的差异是由于反式的变化（图3B），尽管解释可能因调控途径的显性而变得复杂。这种方法现在已被用于研究小鼠、鸟类、飞鸟、酵母和植物等物种间的全基因组调控差异。顺式和反式的种间分化很常见，顺式调控变异对种间分化的贡献一般要大于种内分化。然而，相当大比例的调控差异可归因于顺式和反式变异的组合。
F1中等位基因表达的差异可以用来确定亲本之间的表达差异是由于顺式的变化还是由于反式的变化。(A）物种1携带A等位基因而物种2携带a等位基因。在亲本中，A的转录物丰度为2，a的转录物丰度为3。A和a等位基因在F1杂种中的表达差异表明物种1和2之间存在顺式调控的差异，因为这两个等位基因在F1中处于相同的反式作用环境中。(B) 尽管在亲本中看到表达的差异，A和a在F1杂种中有相等的转录物丰度。这表明，亲本之间的差异是由于反式的变化造成的。
当顺式和反式变化同时出现时，它们之间的相互作用可以增加或减少物种间的基因表达差异。当顺式和反式变异的作用相反时，它们的作用可以以补偿的方式相互缓冲。与稳定性选择相一致，这种顺式-反式补偿(cis–trans compensation)似乎在调控进化中起着突出的作用。
具有顺反调控差异的基因的比例也被证明是随着系统发育距离的增加而增加的。被称为 "增强子交换" 的转基因试验，即在相同的反式环境中测试直系同源的调控区域，发现在遥远的分类群之间的比较中，种系特异性顺反进化更常见。同样，果蝇物种间的成对比较发现，尽管具有顺式调控差异的基因数量随着异常时间的延长而线性增加，但具有总表达差异的基因数量却没有。这表明顺式变化常常被反式变异的变化所补偿，或者被其他反式调控反馈机制所补偿。
现在已经报道了几个这种顺式-反式补偿性进化(compensatory evolution)的明确案例。在线虫Caenorhabditis elegans和C. briggsae中，unc-47基因的表达在物种间是保守的，即使其调控发生了变化。C. briggsae和C. elegans调控元件的相互交换确定了与补偿性顺向进化相一致的种系特有的变化。C. briggsae unc-47启动子中的区域与C. briggsae的反式调控环境中的特定变化共同进化。与unc-47相关的调控元件的补偿性修饰代表了一个例子，即尽管有潜在的调控差异，但基因的表达仍可维持。
杂交种中基因的错误调控可导致表达失调，即基因表达超出亲本的范围。差异的顺式变异和反式变异之间的新的相互作用是杂交种中可能出现表达错误的一种方式。与这一预测相一致的是，许多研究将错误表达与顺式-反式补偿性进化联系起来。错误表达通常出现在不育的杂交种中，并被证明在果蝇中随着系统发育距离的增加而累积。
在一些杂交种中，异常表达在雄性偏斜基因和参与精子发生的基因中观察到的比例过高，这表明调控差异可能是某些杂交雄性不育的基础。对果蝇物种和家鼠亚种的不育和可育杂交种的比较发现，与可育杂交种相比，不育杂交种中有更多的基因表达异常。此外，在家鼠中，一些数量性状位点（QTL）与杂交种中的不育性QTL共定位，表明调控变化在杂交种雄性不育中的因果作用。同样在小鼠中，不育杂交种的错误表达与补偿性的顺反变化有关，与这些类型的基因座之间的相互作用被破坏导致杂交不育的模型相一致。
X染色体经常在合子后隔离中起核心作用。如果调控差异是杂交功能异常的基础，那么可以预期性连锁基因的进化分化调控。最近的一些研究发现，X（在XY类群中）和Z（在ZW类群中）染色体上的一些基因的表达异常比常染色体上的分歧更快。对于具有性别偏向效应的基因（XY类群中的雄性偏向和ZW类群中的雌性偏向），性连锁基因表达的分歧速度尤其快。然而，对整个组织的表达模式的比较可能会掩盖个别细胞类型的差异。例如，最近表明，X-连锁基因的表达演变取决于精子发生的发育阶段，在精子发生后期表达的基因在X上的分歧较慢。不育杂交种的X-连锁基因的不对称表达也有报道。
在考虑错误表达是否导致杂交不育或不存活时，有几个注意事项需要注意。首先，在许多种间杂交中看到的广泛的错误表达可能是一个或几个上游变化的结果，这些变化对调控网络中的下游基因产生了连锁反应。这一点已在酿酒酵母菌和S. paradoxu之间的杂交中得到证实，其中的错误表达主要是由于减数分裂时间的改变造成的。其次，虽然种间杂交的错误表达一直是人们密切关注的对象，但在没有功能异常的种内杂交中也观察到了错误表达。第三，细胞组成的变化也可以说明杂种功能异常和表达异常之间的联系。不育和不能存活的动物往往有不同的细胞组成的性腺，或者相对于可育的动物而言有萎缩的组织。由于许多研究从整个动物或整个组织中分离出mRNA，不育或不能存活的杂交种和亲本之间的组织或细胞组成的差异会产生错误表达。因此，由调控异常直接导致的杂交种错误表达可能被高估。今后，利用分类细胞群体的研究可能会在一定程度上解决这一问题，因为它只比较同等类型细胞的基因表达。
在不育杂交种中发现的错误表达只提供了调控错误在杂交功能异常中的作用的间接证据。”物种形成基因"--在此被定义为有助于生殖隔离的基因--为调控差异在生殖隔离中的作用提供了最好的直接证据。遗憾的是，已经被鉴定和分子表征的物种形成基因相对较少。尽管有这种限制，但一些广泛的模式已经开始出现。迄今为止，在已鉴定的物种分离基因中，许多基因要么在转录或翻译调控中具有推测的作用，要么本身在杂交种中表达异常（表1）。虽然这种模式让人琢磨不透，但有必要在每一种情况下确定杂交功能异常的分子和生理基础，以确定和调控差异是否是因果关系。本文讨论了几个在果蝇和家鼠中特征特别明显的物种形成基因，强调了将特定突变与错误调控联系起来的一些挑战。
黑腹果蝇和拟果蝇之间杂交的雄性致死性可以部分地用基因Hmr和Lhr来解释。Hmr和Lhr的蛋白产物形成一个复合物，定位于基因组的异染色质区域，它们在那里转录抑制可转座元件和重复序列，并在有丝分裂染色体分离中起关键作用。
在D. simulans的Lhr或D. melanogaster的Hmr的功能缺失突变可恢复杂种雄性的生存能力。这两个基因在D.simulans和D.melanogaster的直系同源基因在正向选择下发生了广泛的分歧。这些观察结果导致了这样的预测：Hmr、Lhr和物种特异性异染色质序列之间的适应性功能分化导致杂交功能异常。然而，Lhr的直系同源基因在功能上似乎是等同的：Lhr直系同源基因之间的序列分歧并不影响Lhr蛋白的定位，过量表达D. simulans或D. melanogaster直系同源基因都有杂交致死的作用。
杂交致死是Hmr和Lhr蛋白产物丰度的物种特异性变化的结果。HMR在黑腹果蝇的表达量较高，而LHR在拟果蝇的表达量较高。HMR在黑腹果蝇的表达量增加，LHR在拟果蝇中的表达量增加，导致杂交后代中HMR-LHR复合物的数量增加。HMR-LHR复合物的活性与剂量有关，过量表达会导致复合物的错误定位。
由于杂种致死是HMR-LHR过量表达的结果，观察到的黑腹果蝇的Hmr和拟果蝇的Lhr的不对称致死效应可能是黑腹果蝇和拟果蝇之间调控途径的差异，而不是直系同源基因之间功能差异的结果。支持这一假设的是，杂交种中Lhr直系同源基因之间的转录差异与物种之间在等位基因特异性表达方面的补偿性顺反差异有关。
家鼠和小白鼠之间的杂交产生不育的杂种雄性。Forejt及其同事进行的一系列实验室mapping实验产生了Prdm9的定位克隆和鉴定，这是脊椎动物中唯一已知的杂交不育基因。Prdm9被认为与X染色体和常染色体上迄今尚未定性的位点相互作用，导致杂交后代的生精失败。不育的杂交雄性在减数分裂过程中显示出性别特异的染色体配对失败，以及X和Y染色体上基因的错误表达。虽然Prdm9含有与转录调控有关的保守结构，但Prdm9对错误表达的影响可能是Prdm9在减数分裂重组中的作用的次要结果。
Prdm9与人类和小鼠的重组率变化有牵连。在哺乳动物的减数分裂过程中，整个基因组产生双链断裂，然后进行修复，导致同源重组。这些断裂集中在称为重组热点的区域。在小鼠中，PRDM9似乎通过与DNA序列结合来调控热点地区的重组过程。有趣的是，最近发现与重组率变化有关的另一个QTL与X染色体上的一个杂交雄性不育的QTL相重叠。总的来说，这些结果表明重组和杂交不育之间存在遗传联系。
PRDM9 zinc-finger 串联重复数的变化与家鼠不育有关。PRDM9 zinc-finger与物种特定的结合位点共同演化。减数分裂对重组热点的驱动被认为导致了这些结合位点的快速周转。PRDM9结合位点的物种特异性降低可能解释了PRDM9在F1杂种中的不对称结合，这与杂种不育有关。支持这一预测的是，通过用人类的同源区替换不育性相关的锌指，可以挽救杂种的生育能力。虽然很明显，不育的杂交雄性表现出X和Y染色体上基因的错误表达，但Prdm9在这种错误表达中的直接作用（如果有的话）仍不清楚。
Outstanding Questions
调控差异是否有助于其他生殖隔离，如交配隔离、配子隔离或生态隔离？
转录后调控元件之间的相互作用被破坏，是否有助于杂交功能异常？
调控失调通常是作为严格的适应性进化的结果还是作为补偿性进化的结果出现的？
虽然到目前为止的证据表明，基因调控的变化可能有助于新物种的起源，但也有一些情况，杂交不相容似乎与调控变化无关。例如，物种形成基因Nup160和Nup96在拟果蝇和黑腹果蝇的杂交中导致杂交不育。这两个基因的蛋白产物形成了核孔复合体的结构成分，并显示了适应性蛋白进化的证据。我们不想就编码性突变和调节性突变对物种进化的相对重要性进行辩论；两者都肯定会发生，而且在某些情况下都可能是重要的。相反，我们提供了几个研究方向，这些方向可能对理解调控分化和物种形成之间的联系特别有用。
首先，对自然种群的研究和利用实验室杂交的研究对物种形成的研究是有益的。然而，人们对调控分化在物种形成中的作用的认识大多来自于实验室研究。这些研究只代表了系统发育多样性的一小部分，它们主要依赖于模式系统（表1）。如果我们有兴趣了解物种形成过程的一般情况，就必须进行更多的分类学取样。将含有混合遗传背景的自然发生的杂交个体的基因表达模式与实验室杂交中的基因表达模式进行比较也是很有意义的。
其次，许多自然种群有两个方面值得进一步研究：多代杂交种的存在和导致生殖隔离的等位基因可能是多态的而不是固定的。在调控分化和生殖隔离的作用背景下研究这两个问题是很重要的。例如，虽然研究F1杂交种已经取得了很大的进展，但使用F2或更晚一代的杂交种，可以确定隐性等位基因造成的基因表达错误。
第三，大部分的焦点都集中在调控差异在内在合子后隔离中的作用。调控分化在其他形式的生殖隔离（即生态隔离、交配隔离和配子隔离）中的作用在很大程度上还没有被探索。调控分化可能通常导致种群之间的表型差异，从而导致不同类型的生殖异常。特别是，就基因调控的变化是适应性进化的基础而言，这种变化可能在生态隔离物种形成中相当普遍，但这还有待证明。
第四，需要更好地将物种形成理论与基因表达研究的实验证据相结合。例如，异配杂交种（即XY雄性或ZW雌性）中X（或Z）染色体上隐性突变的暴露，被用来解释诸如霍尔丹定律和large-X效应等观察结果。根据这一假说，许多降低杂种适合度的等位基因至少是部分隐性的。可以用杂交或染色体置换品系来检验表达遗传的显隐性，这将有助于将理论预测与基因表达的实验观察联系起来。同样，BDM的不相容性被预测为会在进化过程中以非线性的速度累积，从而产生 "滚雪球"效应。受控基因表达研究可能能够确定调控不相容性是否符合这一预测，并随着系统发育距离的增加而非线性地增加。
第五，驱动调控差异并导致杂交不相容的进化力量在很大程度上仍然是未知的。许多已知的变异基因显示出正向选择的特征。虽然这一观察结果与驱动杂交不相容性进化的适应性分化模型一致，但补偿性进化模型也同样可能。补偿性进化要求正选择使补偿性变化掩盖早期突变的有害影响。
最后，虽然人们对调控差异在物种进化中的作用有很大的兴趣，但转录控制几乎得到了所有的关注。基因表达的调控是一个复杂的过程，可能在许多阶段被调控，包括转录、翻译和翻译后。酵母物种形成基因AEP2和OLI1提供了一个翻译错误调控如何导致杂种不育的例子。AEP2编码一个线粒体蛋白，翻译调节OLI1。在S. cerevisiae和S. bayanus的种间杂交中，Aep2蛋白不能与OLI1转录本结合。Aep2不能介导OLI1的翻译被认为是导致杂交不育的原因。这使得转录后调控的研究更加可行。现在可以用翻译效率的等位基因分析来推断作用于翻译率的顺式和反式差异。QTL mapping技术已被用于研究翻译和蛋白质丰度的物种内变异。将这些层面的研究结合起来，就可以更全面地了解调控差异在物种进化中的作用。
https://doi.org/10.1016/j.tig.2016.11.003
阅读 1371
分享收藏
73
喜欢此内容的人还喜欢
宇宙探索未解之谜
不喜欢
确定
学术经纬
不喜欢
确定
联系客服
