斯托斯医学研究所 这个彩色玻璃细节象征着从果蝇和小鼠的比较研究中获得的有价值的见解
荣誉:彩色玻璃艺术家凯西·巴纳德 在一项新的研究中，斯托斯医学研究所的研究人员发现了一系列氨基酸序列的变异，这些变异对于在6亿年的进化过程中保持基因的祖先功能至关重要
2020年11月12日在线发表在《基因与发展》杂志上的一篇文章中详细描述了这一突破性发现，为驱动生物多样性的基因调控网络的进化提供了重要的见解，并表明关键蛋白质序列的微小差异可以导致重要的进化变化
“人们普遍认为，基因的复制和分化使基因具有新的功能，而基本基因在进化过程中是保守的，保持不变，”斯托的研究员罗布·克鲁姆拉夫博士说
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“但是作为生命的组成部分，蛋白质的变异是如何影响这一过程的还不清楚
" 斯托斯研究所的克鲁姆拉夫实验室利用果蝇唇侧Hox基因和小鼠相关基因的跨物种功能分析来探索这个问题
这项研究使用了现代基因编辑技术，包括CRISPR/CAS9，用老鼠体内的三个相关基因——HOXA1、B1和D1来代替果蝇体内的唇侧Hox基因
研究人员发现，用果蝇的HOXA1替代阴唇功能可以恢复其原始功能，但B1和D1没有，这表明A1保留了祖先的功能，而B1和D1则有所不同
“在6亿年的进化时间里，只有一个基因保留了祖先的活动，”纳伦德拉·普拉塔普·辛格博士说
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是克鲁姆拉夫实验室的高级研究员，也是这篇文章的第一作者
“其他基因进化并承担了新的功能
这是一个巨大的惊喜
" 研究人员确定了对A1祖先功能至关重要的六个氨基酸序列，这对调节与其他蛋白质的相互作用很重要
同样令人惊讶的是，该序列仅占蛋白质总氨基酸的2%，这表明某些关键区域的微小差异对蛋白质功能有很大影响
“蛋白质序列中细微的、看似无害的差异会深刻地影响进化的进程，”斯托斯研究员考西克·斯博士说
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，该研究的作者
“同样，在蛋白质功能的进化中，我们倾向于关注什么是保守的
这项研究建议我们应该开始关注微小的差异，因为一些最有趣的生物隐藏在微小的差异中
" 在小鼠中，HOXB1似乎已经进化为在脊椎动物中具有新的功能，以允许无脊椎动物中没有的面部表情和进食行为的更大多样性
小鼠和人类的B1突变影响面部形态、神经元发育和神经功能
在人类中，莫比乌斯综合征是一种导致面部表情缺失的神经疾病，有时与B1突变有关
这项研究建立在三十多年对Hox基因的研究基础上，Hox基因是一个“主计划者”基因家族，从头到尾控制着发育中胚胎的布局
克鲁姆拉夫的开创性发现，即Hox基因在小鼠和果蝇中本质上是相同的，这有助于建立一种观点，即存在一个共同的基因工具箱，许多生物具有惊人的相似基因
该实验室对老鼠、小鸡、斑马鱼以及最近的海七鳃鳗的比较研究，继续提供关于不同物种如何利用相同的遗传工具箱形成不同结构的重要信息
Hox转录因子非常适合研究基因的复制和分化，因为它们从无脊椎动物扩展到哺乳动物
这项工作为进一步研究蛋白质活性的进化以及进一步探索保守工具包基因在基因复制和分化中的作用铺平了道路
克鲁姆拉夫说:“我认为我们已经准备好利用结构生物学、功能分析和基因组工程的新兴优势。”
“我们真的可以问，‘这种作用在其他无脊椎动物身上保留了吗？‘这个基因或蛋白质真的是在做同样的事情吗，还是进化出了全新的功能？’我认为由于基因编辑的力量，现在有了一个新的分析时代
" 这项研究的其他贡献者包括博尼·德·库马尔博士
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阿里埃勒·保尔森，马克·E
帕里什博士
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，张颖，博士
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劳伦斯·弗洛伦斯博士
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琼·柯纳威博士
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这项工作是由斯托斯医学研究所资助的
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