在自然界中,“生长更快”和“更早繁殖”通常被视为重要的生存优势。对于生活在环境恶劣、生命周期较短环境中的物种而言,早期成熟有助于个体在生活条件改变之前有时间繁殖。然而,进化生物学表明,生命早期所获得的优势往往需要付出代价。这种代价可能在生命后期逐渐显现,例如增加患病风险、降低细胞修复能力,甚至缩短寿命。

最近,《Nature Communications》杂志发表的一项研究发现,vgll3基因是调控绿宝石鳉鱼(Nothobranchius furzeri)三大生命周期特征(生长、性成熟和寿命)的关键因子。这种鱼寿命很短,成熟迅速,常被用作研究脊椎动物衰老的模型。
此前对人类和大西洋鲑鱼的遗传学研究已发现VGLL3/vgll3基因与青春期或性成熟的时间有关。特别是,2015年发表在《自然》杂志上的一项研究表明,在大西洋鲑鱼(Salmo salar)中,包含VGLL3的基因区域显著影响性成熟年龄的差异,尤其是在雄性中。
然而,以往的证据主要基于遗传相关性。而对鳉鱼的新研究取得了重大进展:利用CRISPR基因编辑技术直接研究vgll3的作用。
当该基因受到影响时,突变雄性鱼往往表现出以下特征:
- 生长速度加快;
- 性成熟提前;
- 体重和性腺指数增加;
- 睾丸和肠道上皮细胞增殖活性增强。
这些研究结果表明,VGLL3基因不仅与生殖过程密切相关,还通过调控细胞周期、生殖系细胞和体细胞干细胞的活动,参与机体整体发育的调控。
值得注意的是,这种快速生长和较早成熟可能伴随着后期的不利影响。随着携带 VGLL3 基因突变的绿宝石鳉鱼逐渐衰老,研究人员观察到其尾鳍出现了更多异常的色素增生区域,其特征与黑色素瘤样肿瘤(melanoma-like tumors)相似。

为了确定这些异常色素增生区域是否具有肿瘤性质,研究团队构建了携带 rag2 突变的免疫缺陷鱼类模型。将来自 VGLL3 基因突变鱼的异常色素细胞移植到该模型后,这些细胞能够形成肿瘤并侵袭多种组织,表明这些病变并非单纯的形态学改变,而是与肿瘤发生过程密切相关。
此外,携带 VGLL3 基因突变的鱼类还表现出DNA损伤应答(DNA damage response)的异常。DNA损伤应答是细胞识别并修复遗传损伤的重要机制。这种机制的紊乱会增加细胞损伤累积的风险,而细胞损伤与包括癌症在内的多种年龄相关疾病有关。生命周期监测结果表明,vgll3突变鱼的寿命比正常鱼短,尤其在雄性鱼中更为明显。
这项研究为拮抗性多效性理论(antagonistic pleiotropy)提供了实验依据。该理论认为,同一个基因可能在生命早期带来益处,例如促进快速生长和性成熟提前,但同时也会增加生命后期发生疾病的风险。
对于绿宝石鳉鱼而言,这一现象具有明确的生态学意义。由于这种鱼通常生活在临时性水体中,而这些水体可能在数周或数月内干涸,因此,尽快达到性成熟并完成繁殖是一种有利的进化策略。然而,从整个生命周期来看,这种策略也伴随着老年阶段的不利后果。
从鲑鱼到绿宝石鳉鱼,现有研究结果表明,VGLL3/vgll3可能是调控脊椎动物生活史特征的一种保守基因,在生长、繁殖、细胞稳态维持以及寿命调控之间发挥着重要的连接作用。