单个基因决定苍蝇是否具有良好的视觉感或良好的嗅觉

视觉和嗅觉器官大小的权衡是动物进化的共同特征，但潜在的遗传和发育机制尚不清楚。8月22日发表在“ 发育细胞 ”杂志上的一项研究表明，影响果蝇感觉器官发育时间的单个DNA变异可以解释眼睛和触角之间的大小权衡，可能为行为改变和适应提供快速途径。

由于受影响的基因(无眼/ Pax6)在无脊椎动物和脊椎动物(包括人类)中是保守的，因此该发现可代表整个动物界的感觉器官大小权衡的一般机制。

动物依赖的感官通过进化形成，以更好地驾驭和利用环境。因此，即使是生活在不同生态位的密切相关的物种，其感官结构的大小和形状也会发生变化。在诸如果蝇的节肢动物中，大多数嗅觉器官所在的眼睛大小和触角之间的权衡是普遍存在的。

“我们证明的是，控制这些感觉器官如何发展的保守机制的微妙变化会产生影响，”高级研究作者，Cerveau et de laMoelleépinière(ICM)的Bassem Hassan说。“这更广泛地意味着，如果不了解将前者转化为后者的发展过程，就无法完全理解遗传变异和形态变异如何相互关联。”

为了研究潜在的机制，Hassan和第一作者Cerveau et de laMoelleépinière(ICM)的Ariane Ramaekers将不同果蝇品种和物种的比较分析与发育，分子和基因组编辑方法相结合。具体而言，作者专注于一种称为眼 - 触角成像盘(EAD)的结构，其由眼球和非眼球组成，并且在果蝇发育期间产生所有外部头部感觉器官。

来自D. melanogaster(左)和D. pseudoobscura(右)的ey / PAX6的不同时间调节。图片来源：A。Ramaekers

Hassan和Ramaekers发现，果蝇(Drosophila pseudoobscura)(D。pse。)与黑腹果蝇(D. mel。)相比，眼球的比例相应增大，相当于组成昆虫的小型小单位数量增加了35%。复眼。类似地，眼睛在D.mel中成比例地变大。称为Canton-S的菌株与D. mel相比。菌株Hikone-AS，相当于ommatidia数量增加12.5%。

“这些数据表明，尽管两个物种群之间有1700万至3000万年的分离进化，但D. mel。和D. pse。之间以及两种D. mel。菌株之间的小数量变化具有共同的发展逻辑，”哈桑说。

为了寻找眼睛大小变异的遗传原因，研究人员接下来检查了转录因子结合的DNA序列，以调节邻近的无眼/ Pax6基因的表达。他们发现单个核苷酸变体-G> A取代 - 在结合位点处区分小眼亚种与大眼亚种。预测小眼亚种中的G等位基因对结合位点具有更高的亲和力，导致与大眼亚种中的A等位基因相比更大的无眼/ Pax6基因表达抑制。

另外的分析表明，这种变异发生在天然果蝇种群中，A等位基因对应于不同实验室菌株中更多的小眼和更小的触角宽度。使用CRISPR / Cas9将A等位基因导入G纯合原种，研究人员证明G> A替代导致了小眼的数量增加。

“我们惊讶于我们发现的感官权衡机制的简单性：改变感觉器官的大小 - 在这种情况下，眼睛与触角 - 它足以略微改变单个基因的表达，”Ramaekers说。“特别令人满意的是，这种被称为Pax6的基因与所有动物(包括人类)建立眼睛的基因相同。我们也感到惊讶的是，产生权衡的关键是改变时间，而不是在哪里Pax6最终被表达出来。为了使眼睛变大或变小，只需稍微加速或减慢头部原基细分为眼睛与非眼睛区域即可。

对于作者来说，这些发现提出了一些有趣的问题。例如，尚不清楚单核苷酸变体如何改变Pax6表达和感觉器官发育的时间。此外，控制关键发育基因表达的时间可能是改变组织或器官大小的一般规则。另一个有趣的问题是感觉大脑区域是否受到感觉器官相对大小变化的影响。