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揭开隐藏在DNA密码中的古老​​故事

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102XB-PC 三目正置金相显微镜
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DNA螺旋

  • 科学家们透露,海洋无脊椎动物的基因组在很长一段时间内出奇地稳定。
  • 数百万年来,随机突变导致染色体部分重新排列,并且在某些情况下融合和混合,从而导致物种之间基因组的差异。
  • 在这项研究中,对海绵、刺胞动物和双边动物三大类群的物种基因组进行了比较,发现它们非常相似。
  • 在各种软体动物中,研究人员发现四组基因混合在一起,这些混合物非常古老,以至于所有软体动物和其他相关物种都必须共享它们。
  • 研究人员总共确定了 29 个祖先的染色体片段,并发现其中一些片段存在于动物存在之前约 800-9 亿年,当时所有生命都以单细胞或非常简单的多细胞形式存在。

科学家们发现,海洋无脊椎动物的基因组在很长一段时间内出奇地稳定。发表在《科学进展》上的这项新研究对远缘动物群进行了总体分析,包括海绵、水母、扇贝和与人类关系最密切的无脊椎动物,并发现它们的染色体非常相似。

将基因组视为位于每个细胞中并用DNA代码编写的说明手册。它包含有机体运作的所有遗传信息。本说明手册分为章节——染色体——而这些章节又进一步细分为页面——基因。

五种染色体

编号的水平条代表五个物种的染色体。每个彩色条显示基因组的不同部分在不同基因组中的位置如何对应或变化。染色体上会聚的两种或多种颜色(扇贝可以看到四次)表明两个祖先染色体或染色体部分之间发生了混合。图片来源:该图像出现在《科学进展》的出版物中。

“在很长一段时间内——我的意思是至少 5.5 亿年——由于随机突变,染色体中基因的顺序变得混乱,有点像在一本书的章节中混淆页面。更戏剧性的是,有时我们会发现两条染色体融合在一起并混合在一起,就像章节被合并和洗牌一样。” Daniel Rokhsar 教授解释说,他是该论文的最后一位作者,也是日本冲绳科学技术研究生院 (OIST) 分子遗传学部门的首席研究员。“但总的来说,我们发现了显着的稳定性。尽管这三个群体的最后一个共同祖先生活在 50 亿年前,但从它们包含相同基因组的意义上说,它们的许多染色体明显相似。”

该研究比较了来自三大类群的物种的基因组——海绵(非常简单的没有肌肉或神经的动物)、刺胞动物(特别是水母和水螅)和双侧动物(扇贝和文昌鱼)。这些基因组要么之前已经测序,要么在本研究中首次报道。尽管许多这些生物之前已经对其基因组的“草稿”版本进行了测序,但这项早期研究未能研究整体染色体组织。现在,随着基因技术的进步,研究人员能够将谜题放在一起,并比较基因组织成长线的方式。本研究首次对水螅的染色体进行了重建,文昌鱼的染色体得到了大幅度的改进,并完成了大范围的比较分析。

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国际研究小组,其中包括来自 OIST、维也纳大学、加州大学伯克利分校欧文分校和圣克鲁斯分校、慕尼黑路德维希马克西米利安大学和伦敦大学学院的科学家,发现了人类染色体之间的惊人相似之处。五种不同的动物,并证实这些相似性也存在于其他动物基因组中。在某些情况下,他们确定了特定于某些动物亚群的染色体融合模式。例如,研究人员发现扇贝和其他几种软体动物共有四种古老的融合,这也类似于海洋蠕虫基因组草图中的融合。

“我们看到基因可以在不同物种的同一染色体上,但通常以不同的顺序排列,”Rokhsar 教授解释说。“在极少数情况下,两条染色体融合在一起,然后通过扰乱新融合的染色体而混合在一起,这种融合无法撤消,并且可以作为染色体进化历史的永久标记。这就像将两副牌洗牌一样。我们可以继续洗牌,但它们永远不会再分成两个确切的包。”

当活的动物共享相同的融合时,研究人员推断这些融合一定发生在这些物种的古老共同祖先身上。他们现在对尚未测序的基因组做出了几个可测试的预测。例如,该团队预测,所有软体动物和相关“螺旋”动物的基因组必须显示扇贝中所见的特定融合集。

这些结果展示了一个有趣的悖论。“哺乳动物只存在了大约 1 亿年,”Rokhsar 教授解释说。“但是当我们比较两种哺乳动物的基因组时,比如人类和老鼠,染色体看起来就像被分解成几百块,然后混合在一起。我们在无脊椎动物中发现的染色体尺度保守特征在哺乳动物中根本看不到。” 他推测哺乳动物染色体的进化可能不同,因为从历史上看,哺乳动物比大多数海洋无脊椎动物生活在更小的群体中。小群体促进了这些随机突变的存活,这可能是染色体重排更容易在哺乳动物中传播的原因。

研究人员总共确定了 29 个祖先的染色体片段。此外,该小组发现,其中一些片段在动物存在之前大约 800-9 亿年就存在了,当时所有的生物都是单细胞或非常简单的多细胞形式。因此,一些基因已经一起旅行了近十亿年,但这些古老基因联系的结果仍然是一个谜。

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