Wings, Horns, and Butterfly Eyespots: How Do Complex Traits Evolve?
Antónia Monteiro and Ondrej Podlaha (2009) PLoS Biol 7(2): e1000037
在演化的過程中，生物發展出各式各樣複雜的特徵以提升其生存或生殖機會，諸如昆蟲的翅膀可增進擴散能力、甲蟲碩大的角幫助求偶、蝶與蛾的眼斑用以嚇退天敵，但究竟這些複雜的特徵從何而來，仍是個未解之謎。近四十年來的研究發現，新的特徵是由舊的基因以新的連結方式所產生，但是細節仍然未知，究竟是舊的基因同時產生全新的連結方式？還是一串串原已連結好的基因再被選入發育為新特徵的過程中？
目前，關於取得適應或是新的形態特徵的了解大多來自於單一基因的研究。
一部分著重於酵素編碼位置的突變對於形態所造成的影響，另一方面剖析引起現存特徵改變或消失在遺傳或發育上有何變化。但鮮少有研究直接處理新的複雜特徵在遺傳或發育上的起源。
有功能的新的複雜網絡如何產生？
複雜的特徵需要許多轉錄因子與訊號傳遞路徑的協調去引導它的發育，建立一個全新的發育途徑涉及逐一連結許多基因、需要每一個突變從漂變成為穩定、或者確認在中間過程的每一步有某些選汰優勢。雖然這樣冗長的過程並非完全沒有可能，它也可採取較少步驟的方式- 將已存在的基因網路重新共同選擇(Gene network co-option)，在接著作些微的修飾使其角色最符合新的發育特徵。
Gene network co-option幾乎是個新概念，常被用來解釋為何同一組基因會表現在兩個不同的發育脈絡上，例如Distal-less (Dll)基因表現在甲蟲成蟲的角的末梢、也表現在蝴蝶眼紋的中央，其下游基因spalt也同時表現在觸角和眼紋上。但是新網絡連結的觀念仍然只是個可能的假說，尚未發展出進一步測試去分辨兩者的機制，因為兩個非此即彼的機制非常難以覺察。兩個不同源的特徵共用相似的基因、並具有相似的時間上表現樣式，有兩種可能的解釋： (1)同一個基因網絡被增選(co-option)以產生兩個非同源特徵；(2)這些發育脈絡使用相同的基因建立相似卻互相獨立的基因網絡。
如何應付這個問題？
作者提出一個經驗上的測試將基因網絡增選(co-option)從全新的網絡演化中區辨出來，假設這些不同的演化模式在該網絡的基因上產生不同數量的調控單元(cis-regulatory elements, CREs)，CREs與基因在發育網絡上的連結可以提供演化歷史的資訊。當co-option產生時，與上游調控基因相連的CREs應該會繼續在多個發育脈絡中具有功能，這挑戰了最初的發育遺傳學上所暗示的假設-一個CRE驅動一個特定樣式的基因表現且造成一個特定的發育脈絡。
如何找出基因網絡的co-option？
對於新的特徵在基因網絡層面上是如何重新”接線”的，作者提出兩種不同的方案：(1)透過上游基因X的CRE之演化作co-option，則其下游Y和Z基因的CREs應可表現在兩個不同的發育脈絡上(如下圖B).；(2)Y和Z基因專屬且複雜的CREs需為每一個發育脈絡各自演化，並整合來自上游的調節因子以表現在正確的組織或器官上(如下圖C)，新增的CREs必須來自新的演化而非具有多效性功能。
哪些資料支持CREs可作用在多個發育脈絡上？
作者舉出一些實例如下圖，這些資料推測一個網絡的co-option是由於上游調節因子的調度，再號召內部網絡中的基因形成新的發育脈絡，形成多功能(且具多效性表現的)CREs。
哪些資料支持新連結網絡演化的存在？
為了將兩個相似的基因網絡認定為非同源(nonhomologous)，在以作者提出的骨架檢驗其基因網絡連結細節之前，重要的是先確認它們的相似是來自於直向同源(orthologous) 而不是旁系同源(paralogous)、且基因之間相同功能適當連結連結。以眼睛的發育網絡舉例，其某些組成的基因不符合上列原則，可能是這些基因在不同的支系以全新的方式連結。比較昆蟲與脊椎動物的眼睛發育網絡，即便其中某些基因是相似的，但是某些基因並非orthologous而是paralogous copies，且兩者功能上的關係是不同的。此例比較不同生物間的基因網絡而非同一個個體之內，但核心問題是一樣的：這兩種不同的眼睛發育網絡是否來自於同一個祖先？
由於這些旁系同源基因(sine oculis in Drosophila, and Six3 and Optx2 in Xenopus)早在昆蟲與脊椎動物分化之前即已存在，假設它們在各自的支系中發展出眼睛發育網絡，或假設這兩份copies如副本般保存、且長期冗贅地表現眼睛基因直到在各自的支系中被壓制，前者會比後者更儉約。
多效性CREs有何演化上的暗示？
生物學家對於何種基因改變對於適應性演化變異最有影響存有爭議，主要被認為會發生改變的兩個位置為調節DNA與蛋白質編碼DNA，爭議的中心為那個位置遭受最少量的多效性(pleiotropy)。支持non-coding DNA region的人認為模組化的CREs允許基因發展出新的功能且不至於减損就有的功能，因為不需要發生蛋白質序列上的改變。但是現有的證據顯示，蛋白質(包括Hox proteins)本身高度地模組化，亦即蛋白質的不同部位可與不同的co-factors結合，而蛋白質的修改也許會影響其中一種功能、但並非同時影響所有功能。作者認為討論蛋白質或調節序列何者對適應性演化有較大的作用，或許太過簡化甚至可能誤導，這兩者都可以模組化且具多效性，故討論應該轉而著重於是否模組化的網絡在發育系統中是常見的、網絡的大小、基因網絡的co-option在建構基因的調解區域時扮演何種角色。另一個重點是，CREs包含了許多型的轉錄因子結合區域，可調節位在同一個空間區域中基因或對同一個環境刺激作出反應。
關於解答
對於完全了解新特徵如何演化出來仍有待努力，作者在本文提出一個試驗性的骨架供測試新的特徵是否由已經存在的基因網絡中演化而來。為解答此問題，必須持續探索還有哪些基因在不同的特徵上有作用、以鑑定出那些作用類似整合或脈絡不敏感的基因網絡，這些基因的CREs應該在橫跨不同發育脈絡的多個表現區域上進行測試。如果同一個CRE驅使基因表現在不同的結構上，網絡重新增補便是最可能的機制；假如並非如此，則此網絡連結可能是全新打造的了。
相關背景知識參考
新世紀生命科學課程改進計畫 發育生物學 第十五章
在演化的過程中，生物發展出各式各樣複雜的特徵以提升其生存或生殖機會，諸如昆蟲的翅膀可增進擴散能力、甲蟲碩大的角幫助求偶、蝶與蛾的眼斑用以嚇退天敵，但究竟這些複雜的特徵從何而來，仍是個未解之謎。近四十年來的研究發現，新的特徵是由舊的基因以新的連結方式所產生，但是細節仍然未知，究竟是舊的基因同時產生全新的連結方式？還是一串串原已連結好的基因再被選入發育為新特徵的過程中？
目前，關於取得適應或是新的形態特徵的了解大多來自於單一基因的研究。
一部分著重於酵素編碼位置的突變對於形態所造成的影響，另一方面剖析引起現存特徵改變或消失在遺傳或發育上有何變化。但鮮少有研究直接處理新的複雜特徵在遺傳或發育上的起源。
有功能的新的複雜網絡如何產生？
複雜的特徵需要許多轉錄因子與訊號傳遞路徑的協調去引導它的發育，建立一個全新的發育途徑涉及逐一連結許多基因、需要每一個突變從漂變成為穩定、或者確認在中間過程的每一步有某些選汰優勢。雖然這樣冗長的過程並非完全沒有可能，它也可採取較少步驟的方式- 將已存在的基因網路重新共同選擇(Gene network co-option)，在接著作些微的修飾使其角色最符合新的發育特徵。
Gene network co-option幾乎是個新概念，常被用來解釋為何同一組基因會表現在兩個不同的發育脈絡上，例如Distal-less (Dll)基因表現在甲蟲成蟲的角的末梢、也表現在蝴蝶眼紋的中央，其下游基因spalt也同時表現在觸角和眼紋上。但是新網絡連結的觀念仍然只是個可能的假說，尚未發展出進一步測試去分辨兩者的機制，因為兩個非此即彼的機制非常難以覺察。兩個不同源的特徵共用相似的基因、並具有相似的時間上表現樣式，有兩種可能的解釋： (1)同一個基因網絡被增選(co-option)以產生兩個非同源特徵；(2)這些發育脈絡使用相同的基因建立相似卻互相獨立的基因網絡。
如何應付這個問題？
作者提出一個經驗上的測試將基因網絡增選(co-option)從全新的網絡演化中區辨出來，假設這些不同的演化模式在該網絡的基因上產生不同數量的調控單元(cis-regulatory elements, CREs)，CREs與基因在發育網絡上的連結可以提供演化歷史的資訊。當co-option產生時，與上游調控基因相連的CREs應該會繼續在多個發育脈絡中具有功能，這挑戰了最初的發育遺傳學上所暗示的假設-一個CRE驅動一個特定樣式的基因表現且造成一個特定的發育脈絡。
如何找出基因網絡的co-option？
對於新的特徵在基因網絡層面上是如何重新”接線”的，作者提出兩種不同的方案：(1)透過上游基因X的CRE之演化作co-option，則其下游Y和Z基因的CREs應可表現在兩個不同的發育脈絡上(如下圖B).；(2)Y和Z基因專屬且複雜的CREs需為每一個發育脈絡各自演化，並整合來自上游的調節因子以表現在正確的組織或器官上(如下圖C)，新增的CREs必須來自新的演化而非具有多效性功能。
哪些資料支持CREs可作用在多個發育脈絡上？作者舉出一些實例如下圖，這些資料推測一個網絡的co-option是由於上游調節因子的調度，再號召內部網絡中的基因形成新的發育脈絡，形成多功能(且具多效性表現的)CREs。
哪些資料支持新連結網絡演化的存在？為了將兩個相似的基因網絡認定為非同源(nonhomologous)，在以作者提出的骨架檢驗其基因網絡連結細節之前，重要的是先確認它們的相似是來自於直向同源(orthologous) 而不是旁系同源(paralogous)、且基因之間相同功能適當連結連結。以眼睛的發育網絡舉例，其某些組成的基因不符合上列原則，可能是這些基因在不同的支系以全新的方式連結。比較昆蟲與脊椎動物的眼睛發育網絡，即便其中某些基因是相似的，但是某些基因並非orthologous而是paralogous copies，且兩者功能上的關係是不同的。此例比較不同生物間的基因網絡而非同一個個體之內，但核心問題是一樣的：這兩種不同的眼睛發育網絡是否來自於同一個祖先？
由於這些旁系同源基因(sine oculis in Drosophila, and Six3 and Optx2 in Xenopus)早在昆蟲與脊椎動物分化之前即已存在，假設它們在各自的支系中發展出眼睛發育網絡，或假設這兩份copies如副本般保存、且長期冗贅地表現眼睛基因直到在各自的支系中被壓制，前者會比後者更儉約。
多效性CREs有何演化上的暗示？
生物學家對於何種基因改變對於適應性演化變異最有影響存有爭議，主要被認為會發生改變的兩個位置為調節DNA與蛋白質編碼DNA，爭議的中心為那個位置遭受最少量的多效性(pleiotropy)。支持non-coding DNA region的人認為模組化的CREs允許基因發展出新的功能且不至於减損就有的功能，因為不需要發生蛋白質序列上的改變。但是現有的證據顯示，蛋白質(包括Hox proteins)本身高度地模組化，亦即蛋白質的不同部位可與不同的co-factors結合，而蛋白質的修改也許會影響其中一種功能、但並非同時影響所有功能。作者認為討論蛋白質或調節序列何者對適應性演化有較大的作用，或許太過簡化甚至可能誤導，這兩者都可以模組化且具多效性，故討論應該轉而著重於是否模組化的網絡在發育系統中是常見的、網絡的大小、基因網絡的co-option在建構基因的調解區域時扮演何種角色。另一個重點是，CREs包含了許多型的轉錄因子結合區域，可調節位在同一個空間區域中基因或對同一個環境刺激作出反應。
關於解答
對於完全了解新特徵如何演化出來仍有待努力，作者在本文提出一個試驗性的骨架供測試新的特徵是否由已經存在的基因網絡中演化而來。為解答此問題，必須持續探索還有哪些基因在不同的特徵上有作用、以鑑定出那些作用類似整合或脈絡不敏感的基因網絡，這些基因的CREs應該在橫跨不同發育脈絡的多個表現區域上進行測試。如果同一個CRE驅使基因表現在不同的結構上，網絡重新增補便是最可能的機制；假如並非如此，則此網絡連結可能是全新打造的了。
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