以家蝇刚毛为表型标记研究进化发育的调控机制

Evolutionary developmental biology (evo-devo) is a new field combining the two disciplines of evolutionary biology and developmental biology. It mainly investigates how modifications of developmental processes during evolution lead to the production of novel features in organisms,as well as mechanisms underlying regulation of morphological evolution. Only by investigating morphological evolution in distantly related species, can it further understand the basic mechanisms of how to form the new traits in different animals. In order to carry out such a study, we plan to take housefly (Musca domestica) and fruitfly (Drosophila melanogaster) as the model insects, employ the species-specific patterns of sensory bristles as phenotypic markers, and use bioinformatics and experimental biology approaches to explore how the genes, cis-regulatory elements and posttranslational modification regulate development and evolution of the dorsal central (DC) bristle of housefly. Firstly, we will examine and compare developmental gene expression patterns for DC bristles beteween housefly and fruitfly, and discover the degrees of their similarities and differences. Secondly, we will knock out cis-regulatory elements (Dorsal central enhancer, DCE) for DC bristle development in fruitfly, and replace the DCE of housefly into Drosophila in order to analyze of evolution of cis-regulatory elements DCE in housefly, which diverged about 100 million years ago from fruitfly. Finally, the focus will be on prediction of protein posttranslational modification sites (such as phosphorylation sites) that affect DC brsitle development, and then mutagenesis of those sites to explore how protein phosphorylation affects gene expression patterns and regulates the DC bristle morphological evolution. Our results will further reveal the mechanism of regulation of phenotypic evolution during development, and provide a greater understanding of an experimental paradigm for evolutionary developmental biology.

进化发育生物学是进化学和发育学的交叉新学科。它主要研究生物不同外表形状在发育过程中是怎样进化形成以及调控机制。只有研究亲缘关系较远物种的表型进化，才能深入揭示新性状产生的基本规律。为了研究亲缘关系较远物种外表性状的异同以及在进化发育上的调控机制，我们拟以家蝇和果蝇为模式生物,刚毛为表型标记,结合生物信息学和实验生物学的方法，阐明基因、顺式调控元件和蛋白翻译后修饰是怎样调控家蝇背板中部（DC）刚毛的进化发育。通过对果蝇的比较研究，鉴定家蝇DC刚毛发育有关基因在发育过程中的表达模式；通过敲除果蝇顺式调控元件（DCE）并替换家蝇的DCE，解析家蝇DCE对DC刚毛进化发育的调控机理；预测蛋白翻译后修饰对家蝇刚毛模式的影响以及定向诱变翻译后修饰位点，研究蛋白磷酸化位点的改变对双翅目昆虫物种间DC刚毛进化发育的作用。本研究将深入揭示表型进化发育的调控机制，为进化发育学提供进一步的理论基础和实验依据。

进化发育生物学是进化学和发育学的交叉新学科。它主要研究生物不同外表形状在发育过程中是怎样进化形成以及调控机制。研究亲缘关系较远物种的表型进化，可以深入揭示新性状产生的基本规律。本研究以家蝇和果蝇作为模式生物，背板中部的粗刚毛（DC刚毛）作为表型标记（家蝇具有6对DC粗刚毛，果蝇具有2对DC粗刚毛），通过生物信息学分析，qPCR，RNA原位杂交，过表达等方法，对比了家蝇和果蝇中与DC刚毛发育相关的5个基因(scute, pnr, ush, hairy和emc)的时空表达模式及基因功能间的差异，发现这些基因调控DC刚毛发育的功能是保守的，但是这些基因表达的水平和空间模式决定了DC刚毛的物种特异性，为下一步研究动物外表性状的形成提供了理论依据和实例参考。我们进一步对蛋白翻译后修饰在不同物种间是否调控DC刚毛的数量进行了研究。利用质谱分析，在scute基因中鉴定到了一系列与DC刚毛发育相关的磷酸化位点。然后对这些磷酸化位点(特别是Cdc2)进行突变及过表达后分析，对其在刚毛发育过程中的作用进行了详细的解析，最后利用CRISPR/Cas9技术将果蝇磷酸化位点替换为家蝇磷酸化位点，发现果蝇背板刚毛模式趋近于家蝇的刚毛模式，DC刚毛数量有所增加。揭示蛋白质磷酸化能够调控DC粗刚毛的发育，正是导致家蝇与果蝇DC粗刚毛数量不同的原因之一。本研究利用多种研究方法，从转录水平，蛋白水平，翻译后修饰水平等多个方面，较全面的比较了家蝇与果蝇DC粗刚毛发育过程中的差异，首次报道了家蝇中有关DC刚毛发育基因在翅膀成虫盘中的表达模式。同时也首次发现了蛋白质翻译后修饰在动物表型进化过程中的作用，为进化发育生物学提供了理论基础及新的研究方向。