生殖隔离的形成，如合子后杂交不相容性（HI），是物种形成的一个基础过程，因为它可以阻止不同个体之间的基因流动。HI通常是由那些经历快速进化的基因引起的。这些基因可以通过基因重复事件产生，基因重复往往会导致基因功能的快速分化，并创造出新的进化特征。例如，基因重复后，通过基因的易位和失活，可能导致杂交种继承了两个非功能性副本，从而导致杂交不育。理论上，HI不仅可能源自功能基因副本的差异失活，也可能通过基因的再功能化来实现。例如，在杂交种中，来自一个亲本物种的新重复等位基因和来自另一个亲本物种的现有等位基因之间可能发生负的基因相互作用。然而，映射和克隆参与HI的等位基因仍然是一项具有挑战性的任务。因此，尽管最近和不同的基因重复在紧密相关物种之间普遍存在，但目前没有实证证据支持这一预测。
模式机理图（图片源自PNAS）
自由生活的线虫布里格隐杆线虫（Caenorhabditis briggsae）和秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis nigoni），都与模型生物秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）密切相关，是研究HI机制，特别是基因重复如何塑造生殖隔离的理想模型。首先，在线虫属中，基因重复现象普遍存在，导致基因组大小的巨大变化。这在C. briggsae和C. nigoni之间尤其明显，后者的基因组和蛋白质组分别比前者大22%和35%。尽管存在这些差异，这两个物种仍然能够交配并产生部分可育的后代。其次，伴随着基因组大小和基因数量的不对称性，至少在实验室条件下，这两个物种之间也观察到基因流动的非对称性：C. briggsae到C. nigoni的基因流动是允许的，而相反的基因流动则被阻断。具体来说，将它们的F1杂交种与C. nigoni回交能够产生可育的杂交后代（称为nB2杂交种），而回交到C. briggsae则没有可育后代，所有杂交后代（称为bB2杂交种）都会在胚胎阶段停滞。因此，杂交种的可育性很大程度上依赖于C. nigoni的某些基因组区域。第三，与F1或nB2杂交种胚胎相比，bB2杂交种胚胎表现出显著增加的基因失调，表明在调控保守基因表达过程中可能存在潜在的负向基因相互作用。
作者推测，某些特定于C. nigoni的等位基因对于杂交后代的存活至关重要。为了验证这一观点，作者之前生成了一个包含大量C. nigoni菌株的大集合，每个菌株携带一个与C. briggsae基因组片段连接的GFP作为杂合性外源性插入。在这里，作者通过表型分析F1杂交种，鉴定了两个导致杂交致死的C. nigoni基因位点。因为一半的杂交后代携带C. briggsae的纯合外源插入片段，导致缺失了与C. nigoni基因组同源的区域。作者首先分子克隆了一个来自C. nigoni的杂交致死抑制等位基因，它对杂交胚胎的存活至关重要，然后进行了全基因组筛查，克隆了另一个负责杂交致死的C. nigoni特异性等位基因。前者编码的是一个高度保守的磷酸葡萄糖变位酶（PGM），该酶对糖基化至关重要；后者编码的是一个C. nigoni特异性的F-box蛋白，参与蛋白质降解。作者展示了这个F-box基因特异性地在杂交胚胎中消耗C. briggsae的PGM，而不会影响C. nigoni的PGM。最后，作者发现该F-box基因源自最近的C. nigoni特异性基因重复，并且即使在种群间也有快速的基因流转，导致在杂交种中偶然破坏C. briggsae的PGM。F-box基因的过度扩展和快速进化表明它们在免疫反应中的功能。作者的发现阐明了线虫物种之间杂交致死的首个机制，并揭示了基因重复如何通过偶然的负向基因相互作用建立生殖隔离。
原文链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2418037121
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