8毛炳宇-发育与进化.doc

进化发育生物学是一门揭示生物表型遗传变化发育机制的学科, 旨在发现和理解表型起源和进化的分子机制。(Hall, 2003)进化发育生物学的研究目的在于揭示发育过程和发育机制在进化中是如何被修饰的, 以及曾有或现有的多样性是如何从这些变化中产生的。案例：达尔文雀测序结果表明相似摄食类型的雀之间序列相似度更高喙形态学（BMP）的分子机制：不同物种的喙的深度和厚度被发现与Bmp4(骨形态遗传蛋白-4)的表达相关。对不同“达尔文雀类”胚胎的喙原基中的转录情况所做的DNA微阵列分析表明，钙调蛋白的水平与喙长度相关。动物发育调控机制的保守性果蝇的早期发育Maternal effect genesBicoid是由动物前后极性确定分布，形成梯度。其受体基因被称为gap genesThe gap genes depend on each other to form boundaries and provide identity to unique regions where they overlap由于gap genes重叠可以产生更复杂的表达模式例如体节极性基因Engrailed是由Eve 和Ftz共同作用激活决定前后体轴方向的基因在染色体上线性排布，突变的话你懂的，触角长腿什么的非洲爪蛙的早期发育机制Localized, Maternally-Provided Cytoplasmic Determinants Exist in the Animal and Vegetal Hemispheres of the Unfertilized Egg例如VegT是定位在植物极的母方转录因子在爪蟾中，背腹轴先被确定，由精子进入点诱发的外皮层旋转上世纪20年代施佩曼发现爪蟾外胚层发育命运在原肠胚已经被决定胚胎发育的调控网络发育调控的“工具箱”基因工具箱：一系列调节发育的关键基因1.工具箱是由所有基因中的一小部分组成。（这不是废话吗）2.大多数工具箱基因编码转录因子或者信号通路中的化合物3.工具箱基因的时空表达模式和动物中基因功能区域紧密相连4.工具箱极影可以通过突变后造成的表型分类5.许多工具箱基因在不同动物中保守胚胎形成只由很少的信号通路调控1) TGF/BMP Serine/Threonine kinase receptors2) Receptor Tyrosine kinases such as FGF, EGF, IGF, 3) Wnts4) Sonic Hedgehog5) Notch6) G protein-coupled receptors (7-transmembrane receptors)7) Nuclear hormone receptors在不同的发育过程中，相同信号可以产生不同的应答例：Pax6与眼睛发育在果蝇腿上表达Pax6可以在腿上出现眼睛的表型在爪蟾上诱导表达Pax6也可以出现异位眼Pax6在动物中保守：小鼠Pax6基因也可以在果蝇上诱导产生异位眼形态进化的分子机制1.调控演化使工具箱基因出现多效性2.调控演化使发育多样性成为可能3.调控演化丰富了多样性的来源4.调控演化可以产生新的形状Developmental effect of gene regulatory network change depends on location同源异型框（HOX）基因发育与进化Hox基因控制动物的每个部分的发育，1. Misexpression of Ubx in the mesothorax results in the loss of wings2. Antennapedia expression is negatively regulated by the Bithorax complexhomeotic proteins3All abdominal segments take on a T2 identity if the bithorax complex is deleted4.Ultrabithorax, abdA, and AbdB normally repress expression of the thorax-specific “leg gene” Distalless in the abdominal segments5. Evolutionary diversification of arthropods partly based on sites of Hox gene expression小鼠中也有相似的Hox基因以及排布人类中有四个hox 复合物，而且和果蝇中的hox高度保守蛇失去脚的原因是Hox基因表达区域改变，蛇的Hox domain表达使胸部和肋骨几乎达到身体全长HoxC8HoxC6cervicalthoraciclumbarHEADTAILlimblimbthoracicHEADTAILlimbHoxC8HoxC6ChickenPythonHox基因在进化中的作用1.大多数两侧对称的动物都拥有一套以上的Hox簇，决定从头到尾的区域的线性排布2. Hox簇在发育的功能决定了从头到尾的区域特异性基因表达3.改变Hox基因表达可以改变组织分布4.新的生物构造设计不需要新的基因，而是已经存在的基因模式改变三刺棘鱼骨刺发育机制的进化Adaptive Evolution of Pelvic Reduction in Sticklebacks by Recurrent Deletion of a Pitx1 EnhancerA Pitx1 transgene driven by the Pel-2.5-kbSALR enhancer induces external spines form in transgenic fish.新基因起源和进化的一般模式和规律 80%的新基因来自基因重复，其中散在重复占44.1% 10% retrogenes Surprisingly, 11.9% de novo genes arise 未见明显的水平转移（horizontal transfer） 3-5有功能的年轻基因/百万年Hypothesis for the origin of a new essential gene.发育机制对进化的限制一个家系的发育可能会导致进化出新表型的类型限制只会导致1.多样性缺少；2.个体之间有较高的关联例如在鸟里表达的翅膀相关的基因在猪中也存在，但在猪里表达别的东西，所以猪就是不会飞四足动物都五个指头Horses (and all tetrapodsfrom sloths to salamanders) develop through a stage where the embryo has limbs with five digits, even though some of these will be lost or greatly modified. （用以前看过一期探索奥秘里的话：因为某个遥远的祖先偶尔发育出五个指头，然后就）The cis-Regulatory Hypothesis: The genetic path of evolutionary change is governed by what is functionally possible (in terms of mutational effects), what is probable (in terms of the frequency of different kinds of muta-tional events), and what is permissible (by natural selection). Any genetic theory of morphological evolution must take all three parameters into account.进化发育的挑战Is macroevolution physically possible according to current evo-devo