芝加哥大学的科学家创造了第一批含有重建古老基因的转基因动物，他们用它们来测试过去发生在动物生物学和健康方面的遗传变化的进化效应。该研究于1月13日在线发表在“ 自然生态学与进化”杂志上，是研究适应和进化遗传基础的重要一步。具体研究结果涉及果蝇在腐烂果实中分解酒精的能力，推翻了关于进化生物学经典适应病例之一的分子原因的广泛假设。

“现代进化生物学的主要目标之一是确定导致物种适应新环境的基因，但很难直接做到这一点，因为我们没有办法测试古代基因对动物生物学的影响“芝加哥大学生态与进化系研究生Mo Siddiq说，该研究的主要科学家之一。“我们意识到我们可以通过结合两种最近开发的方法 - 古代基因序列的统计重建和转基因动物的工程来克服这个问题，”他说。

直到最近，大多数分子适应研究已经分析了基因序列以确定“选择的特征” - 图案表明基因在其进化过程中变化如此之快以至于选择可能是原因。然而，这种方法的证据只是间接的，因为基因可以由于许多原因而快速进化，例如偶然性，种群大小的波动，或者选择与有机体被认为适应的环境条件无关的功能。

Siddiq和他的顾问，芝加哥大学生态学，进化和人类遗传学教授Joe Thornton博士希望直接测试基因进化对适应的影响。Thornton开创了重建祖先基因的方法 - 从现有序列的大型数据库统计确定其序列，然后合成它们并在实验室中实验研究它们的分子特性。该策略已经对生化功能发展的机制产生了重要的见解。

Thornton和Siddiq认为，通过将祖先基因重建与工程转基因动物技术相结合，他们可以研究过去发生的遗传变化如何影响整个生物 - 它们的发育，生理，甚至它们的适应性。

“这种工程'祖先动物'的策略可以应用于许多进化问题，”桑顿说。“对于第一个测试案例，我们选择了一个经典的适应性例子 - 果蝇如何进化出在腐烂的果实中发现的高酒精浓度下存活的能力。我们发现，关于果蝇进化的分子原因的公认智慧是完全错误的“。

果蝇Drosophila melanogaster是遗传学和进化中研究最多的生物之一。在野外，黑腹果蝇生活在富含酒精的腐烂水果中，耐受的酒精浓度远远高于最接近其他食物来源的亲属。二十五年前，在芝加哥大学，生物学家Martin Kreitman和John McDonald发明了一种新的统计方法，用于寻找选择的特征，这种方法至今仍是分子进化中最广泛使用的方法之一。他们在酒精脱氢酶(Adh)基因上证明了这一点，该基因是从细胞群中分解酒精的酶的基因。Adh有一个强烈的选择标志，并且已经知道D. melanogaster苍蝇比他们的亲戚更快地分解酒精。所以，

Siddiq和Thornton意识到这个假设可以直接使用新技术进行测试。Siddiq首先推断了古老的Adh基因的序列，这些基因来自D. melanogaster在大约两到四百万年前进化出乙醇耐受性之前和之后。他通过生物化学合成这些基因，表达它们，并使用生化方法测量它们在试管中分解酒精的能力。结果令人惊讶：在黑腹果蝇进化过程中发生的遗传变化对蛋白质的功能没有可检测的影响。

与威斯康星大学的合作者David Loehlin和内布拉斯加大学的Kristi Montooth合作，Siddiq创造并鉴定了含有重建祖先形态的Adh的转基因果蝇。他们饲养了数千只这些“祖先”的苍蝇，测试了它们能够多快地分解酒精，以及在高酒精含量的食物上饲养时幼虫和成虫的存活情况。令人惊讶的是，携带更新近的Adh的转基因果蝇在代谢酒精方面并不比携带更古老形式的Adh的苍蝇更好。更引人注目的是，他们没有更好的能够在增加酒精浓度的情况下生长或生存。因此，没有实现故事的经典版本的预测。毫无疑问，D。

“Adh的故事被接受了，因为生态学，生理学和选择的统计特征都指向了同一个方向。但是三行间接证据并没有形成一个密不透风的情况，”桑顿说。“这就是为什么我们想直接测试这个假设，现在我们终于有办法这样做了。”

Siddiq和Thornton希望制造祖传转基因的策略将成为该领域的金标准，以决定性地确定基因的历史变化，以及它们对生物体的生物学和适应性的变化。

对于他来说，仍然是UChicago生态学和进化学教授的Kreitman一直支持这项新研究，帮助Siddiq就该项目提供建议并分享他关于分子进化和果蝇遗传学的丰富知识。

“从一开始，马蒂就我们的实验感到兴奋，当我们的结果推翻基于他过去工作的众所周知的结论时，他同样支持他们，”Siddiq说。“我认为这非常鼓舞人心。”