解释复杂的形态变异背后的演化机制一直是生物学研究的“圣杯”之一。已有许多研究表明，热点基因的重复突变导致了一些形态特征重复出现，例如体色变异或某一结构的产生和丢失。然而，热点基因的变化是否导致了器官的尺寸、性状的自然变异呢？

在果蝇Drosophila中，头部形态的变异十分普遍。本文研究了两个果蝇近缘种D. melanogaster和D. mauritiana复眼和头部形态变异的分子和发育机制。

作者使用57个标志点研究了两个果蝇物种头部的形态差异，发现不同物种之间视网膜分化的过程存在差异。判别函数分析能明显区分D. melanogaster（蓝色）和D. mauritiana（红色）的头部形状，两物种平均值之间的Procrustes距离为0.094，p值为0.0001。

结合比较转录组学和染色体开放程度研究，作者确定GATA转录因子Pannier（Pnr）是导致这种差异的关键因素。Pnr是眼触角盘发育过程中一个表型相关的hub基因，存在相互作用的基因中，有14个被Pnr激活（红边），8个被Pnr抑制（蓝边），6个靶基因表现出两种类型的互作。在30个假定的Pnr靶基因中，有21个（68%）存在差异表达（绿色节点）。

尽管通过对Pnr进行遗传操作可以在多方面影响头部发育，但自然变异的影响仅限于表型空间的一个子集。

作者进一步研究发现，这种发育的约束来自于pnr与u-shaped（ush）的表达共进化。Pnr通常是作为转录激活因子，但当与Ush异二聚后则发挥抑制作用。研究表明，Pnr和Ush是共表达的，并且在遗传上相互作用，参与了头部刚毛的发育。

本文提出，具有多效性的发育调控因子在表达或功能上的自然变异，是表型演化的主要驱动力之一；发育过程的约束可能导致稳健性，从而限制多效性基因导致的进化相关表型效应。例如在下图中，基因型水平（i）展示了以Pnr（红色节点）为中心的GRN（gene regulatory networks，基因调控网络），Pnr的表达差异受到ush（橙色节点）共进化的约束。Pnr调节枕背角质层（dc）、复眼（eye）和垂直刚毛（vb）的发育，但由于发育约束，在头部形态的进化过程中只有dc和眼睛中pnr的表达差异会导致表型差异（iii）。

那么基因调控网络是如何处理具有高稳健性和在某些地方具有灵活性的矛盾的呢？作者认为发育过程的GRN必须至少包含两种类型的节点（即基因）：结构节点和调节节点。

结构节点具有表型的稳健性。这些节点的变异（例如基因表达的变异）要么被基因座的严格调控所阻止（上图中的i），要么在GRN的下游被缓冲而消除了影响（上图中的ii）。已有研究表明这种稳健性来自于冗余（redundancies），发生于顺式调控原件水平或者转录因子和信号分子水平。调节节点代表GRN中可容忍变异的基因，并导致定量表型变异（上图中的iii）。本研究中pnr表达的自然变异导致了头型和眼型差异，即为此类案例。

需要注意的是，发育基因在某些情况下可能为调节节点，而在大多数其他情况下则是结构节点。例如在本研究中，pnr表达的种间差异影响背部头部形状和眼睛大小，但不影响感觉刚毛形成。

总而言之，本文以Pnr表达的自然变异对眼型和头型的影响作为切入点，使用的方法为研究表型演化的分子及发育机制提供了参考，并进一步丰富了基因调控网络进化的相关模型。

参考文献：

Buchberger E, Bilen A, Ayaz S, et al. Variation in pleiotropic hub gene expression is associated with interspecific differences in head shape and eye size in Drosophila[J]. Molecular Biology and Evolution, 2021.