人類在誕生前，經(jīng)歷過(guò)四足動(dòng)物的演化階段，這一階段對(duì)從水生過(guò)渡到陸生發(fā)揮著重要作用。而目前已知還活著的、與四足動(dòng)物最近的魚(yú)類近親便是肺魚(yú)。

由西北工業(yè)大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院武漢水生生物研究所和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所、華大基因研究院等單位聯(lián)合解析了關(guān)于非洲肺魚(yú)的首個(gè)完整且高質(zhì)量的超大基因組。相關(guān)研究成果2月5日在線發(fā)表于《細(xì)胞》。

異常龐大的基因組和極高質(zhì)量的組裝

“肺魚(yú)擁有已知脊椎動(dòng)物中最龐大的基因組，長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)家們都未能解析成功，使脊椎動(dòng)物從水生到陸生的研究缺失了一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、西北工業(yè)大學(xué)教授王文告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

非洲肺魚(yú)基因組也許在各種肺魚(yú)中是最小的，但其基因組大小至少是人類的13倍，高達(dá)400多億對(duì)堿基。因此，肺魚(yú)基因組解析的工作量十分龐大，稱得上是一項(xiàng)里程碑式的科學(xué)研究工程。

“要想解析這樣龐大的基因組，必須自主開(kāi)發(fā)相應(yīng)的算法和軟件?！蓖跷谋硎荆撗芯宽?xiàng)目催生了兩個(gè)三代測(cè)序組裝軟件NextDenovo和wtdbg.2.0，它們也成為了基因組學(xué)研究領(lǐng)域的通用軟件。

“如此大的數(shù)據(jù)處理和比較還需要很強(qiáng)的計(jì)算生物學(xué)資源，以及敏銳細(xì)致的操控能力?！蓖跷难a(bǔ)充道，非洲肺魚(yú)基因組不僅是目前解析的最大基因組，也是首個(gè)完整且高質(zhì)量的超大基因組，染色體掛載率達(dá)到99%以上?！斑@樣一來(lái)，基因組解析技術(shù)得到了前所未有的躍升，今后基因組領(lǐng)域的相關(guān)研究需要達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)有所提高?！?/p>

肺魚(yú)超大基因組之謎

非洲肺魚(yú)基因組為何如此龐大？

這在很大程度上歸因于轉(zhuǎn)座子。在非洲肺魚(yú)演化過(guò)程中，LTR類轉(zhuǎn)座子的大量擴(kuò)增，經(jīng)過(guò)數(shù)億年持續(xù)插入原有基因序列，其基因組才變得如此龐大。

轉(zhuǎn)座子又稱“跳躍基因”，指的是一段很容易復(fù)制、插入且對(duì)基因起調(diào)控作用的DNA序列。

“通常情況下，轉(zhuǎn)座子特別活躍，能‘跳來(lái)跳去’。”王文解釋，“它是基因組變異的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力，所以也能為基因組演化提供可塑性?！?/p>

而非洲肺魚(yú)之所以有大量跳躍基因仍保持著穩(wěn)定的演化過(guò)程，是因?yàn)槠渫瑫r(shí)演化出了抑制轉(zhuǎn)座子在生殖系細(xì)胞表達(dá)的能力，從而大大降低了其有害遺傳變異的可能性。

此外，肺魚(yú)基因組雖然是人類10多倍，但基因數(shù)目卻與人類差不多，因此肺魚(yú)擁有大量的超長(zhǎng)基因。

神奇的是，肺魚(yú)這些超長(zhǎng)基因表達(dá)水平與短基因和其他物種的同源基因近似，這就體現(xiàn)出肺魚(yú)演化出了高效轉(zhuǎn)錄這些超長(zhǎng)基因的機(jī)制。

與此同時(shí)，超長(zhǎng)基因的長(zhǎng)度增長(zhǎng)速率也比短基因低，提示肺魚(yú)中基因長(zhǎng)度的增長(zhǎng)速度也受到了自然選擇的控制。

“物種在進(jìn)化過(guò)程中總會(huì)找到變異與穩(wěn)定之間的平衡機(jī)制，否則可能早就滅絕了?！蓖跷奶寡?。

“三步式”演化特征

解析基因組只是認(rèn)知脊椎動(dòng)物水生到陸生演化這一重大科學(xué)問(wèn)題的第一步。結(jié)合多學(xué)科交叉思路和手段的深入分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，非洲肺魚(yú)在肺、四肢、腦等結(jié)構(gòu)上都出現(xiàn)了與陸生適應(yīng)性狀相關(guān)的遺傳創(chuàng)新。

王文提到，從原始輻鰭魚(yú)類到肺魚(yú)再到四足動(dòng)物，與呼吸相關(guān)基因經(jīng)過(guò)了三步演化，這也對(duì)應(yīng)了脊椎動(dòng)物從水生到陸生呈現(xiàn)的三步式演化特征。

“第一步，氣呼吸能力和空氣嗅覺(jué)的分子基礎(chǔ)在硬骨魚(yú)類共同祖先中出現(xiàn)；第二步，肉鰭魚(yú)的祖先中出現(xiàn)了更多呼吸相關(guān)基因和功能元件，使得它們的空氣呼吸能力進(jìn)一步加強(qiáng)；第三步，四足動(dòng)物演化出了更多基因和功能元件從而具備了完備的空氣呼吸能力，成功擺脫水的桎梏?！?/p>

非洲肺魚(yú)基因組為理解脊椎動(dòng)物水生陸生轉(zhuǎn)變提供了重要橋梁。（課題組提供）

與四肢運(yùn)動(dòng)相關(guān)的功能方面，演化也呈現(xiàn)漸進(jìn)式創(chuàng)新的特點(diǎn)，四足動(dòng)物的肱骨與基部輻鰭魚(yú)的后鰭基骨為同源器官，橈骨則可能從肺魚(yú)和四足動(dòng)物祖先開(kāi)始起源，五指則從四足動(dòng)物開(kāi)始起源。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，和抗焦慮密切相關(guān)的蛋白神經(jīng)肽S及其受體在肺魚(yú)和四足動(dòng)物的祖先中共同出現(xiàn)。

與此相吻合的是，大腦的杏仁核也是從肺魚(yú)和四足動(dòng)物祖先開(kāi)始具備相對(duì)成熟的多分區(qū)結(jié)構(gòu)。研究人員推測(cè)，肺魚(yú)和四足動(dòng)物的祖先在對(duì)焦慮能力的處理方面可能具有更強(qiáng)的能力，以適應(yīng)空氣呼吸和陸地生活完全不同的環(huán)境干擾。

“未來(lái)，我們將進(jìn)一步深入研究生物演化過(guò)程中遺傳創(chuàng)新的一些新功能元件，在這樣的基礎(chǔ)研究之上，可能會(huì)結(jié)合仿生學(xué)和再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域增加一些應(yīng)用層面的研究。”王文說(shuō)道。



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