年轻新基因在果蝇发育和进化中的作用

实现遗传、发育和进化整合的系统生物学研究是生命科学中一个长期悬而未决的问题。我们在前期研究中发现了大量果蝇年轻新基因，据此阐明了新基因起源进化的各种分子机制和一般模式。我们最近的结果发现一个新基因的出现能对果蝇的进化和发育带来重要作用，提示用年轻新基因作为模型可以有效整合遗传、发育和进化的研究。本项目计划以5个年轻果蝇基因家族共计8个年轻基因作为模型，利用基因敲除、表型分析和基因功能的分子机制研究阐明这些年轻新基因的功能及其作用的分子机制，通过比对亲本基因和外群物种，说明一个新基因出现后如何招募或参与pathways，在果蝇的各种发育过程如何发挥作用，进而产生怎样的适应性表型等重要问题，最终揭示新pathway起源进化的机制，整合遗传、发育和进化学研究，开辟一条进化发育生物学（Evo-Devo）和系统生物学研究的新途径。

新基因的不断产生是生物进化中的一个普遍事件，生物复杂度的增加和新功能的出现往往伴随着新基因的产生。我们前期研究通过分析大量年轻基因，系统地阐明了新基因起源进化的各种分子机制和一般模式，研究结果提示新基因对果蝇的进化和发育带来重要作用。因此，用年轻新基因作为模型，可以有效整合遗传、发育和进化的研究。我们从前期比较基因组学研究中鉴定到的果蝇年轻新基因中挑选了5个年轻果蝇基因家族，共计8个年轻基因进行深入的功能分析。利用分子进化分析，基因敲除、表型分析和基因功能的分子机制研究，阐明这些年轻新基因的功能及其作用的分子机制，以探讨新基因以及新pathway的起源进化机制。以kep1基因家族为例，以遗传、发育、进化整合的研究方式，系统刻画了一个年轻重复基因nsr经历新功能化的过程详尽历程，nsr通调节几个重要的育性相关因子参与精子的个体化和卷曲折叠过程，并对精子轴丝结构的完整性有重要贡献。该工作颠覆了年轻新基因往往功能不重要的传统观点，以及阐明新近起源的年轻基因可以通过调控已有的重要基因来建立新的功能通路和捕获重要生物学功能。相关论文已于2010年12月发表于PLoS Genetics杂志上（IF=9.532），并被PLoS Genetics特别推荐为Featured Research。另外，我们对ubi4E基因家族的重复新基因CG11700研究进行的进化、表达、研究结果提示我们祖先基因CG32744可能很大程度上保留祖先功能，但获得了雄性特异性的表达。重复产生的新基因CG11700可能经历了新功能化历程，在雄性生殖力与寿命长短的平衡过程中进化出重要功能，而该研究成果发表于进化生物学领域重要期刊Molecular biology and Evolution（2012, 29(5): 1407-1416）。新基因中，一直被忽视从头起源新基因（de novo）被越来越多的研究证实在在物种表型进化中发挥比原先认为的重要得多的角色。因此，我们对果蝇中的一批de novo基因系统开展了功能研究。