从海葵基因组看多细胞动物的进化

【字体: 时间:2007年07月09日 来源:生物通

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  加州大学美国能源部基因研究所(U.S. Department of Energy Joint Genome Institute-- DOE JGI)Daniel Rokhsar博士率领的研究小组,最近首次完成了海葵(sea anemone)基因组分析,证实其与人类基因组的复杂程度接近,为研究人类和海葵的共同祖先以至所有多细胞动物的祖先带来了重要参考。

  

生物通报道:加州大学美国能源部基因研究所(U.S. Department of Energy Joint Genome Institute-- DOE JGI)Daniel Rokhsar博士率领的研究小组,最近首次完成了海葵(sea anemone)基因组分析,证实其与人类基因组的复杂程度接近,为研究人类和海葵的共同祖先以至所有多细胞动物的祖先带来了重要参考。

海葵生活在美国和英国的沿岸水域中,是发育学、进化学、基因组学、生殖学和生态学研究的重要模型。此次接受JGI序列分析的明星海葵——Nematostella vectensis,是一种体长不到一英寸、透明且多触手的动物(测序的原始结果去年已经在网上公布)。

所有的多细胞动物都属于“后生动物”(metazoan),但研究人员经常将海绵动物与其它的后生动物——真后生动物(eumetazoans)区别对待,并用组织和明显的胚胎层对其定义。Rokhsar 说:“海葵所拥有的并且在人类、果蝇、蛇或者其它真后生动物中也存在的物质,在真后生动物的祖先中也一定存在。”

通过简单的活体动物对比,研究人员发现,早期真后生动物有许多现代动物的特征:一个神经系统、肌肉、感觉、肠道,甚至几乎没有尾巴的精子。Rokhsar认为基因组对比,有望找出真后生动物所拥有的基因和基因组的结构。

奇怪的是,Rokhsar小组发现海葵的基因组与人类等脊椎动物的基因组相似度,比与果蝇和蠕虫的基因组的相似度大。文章作者Nicholas Putnam推测是海葵的基因组和脊椎动物的基因组都保留了许多祖先基因,而果蝇和蠕虫在进化过程中丢失了这些基因。鉴于果蝇的和蠕虫的基因在染色体中排列的比较杂乱,通过进化跟踪基因比较困难。

另一方面,海葵的基因组在进化过程中变化很小,使其成为寻找共同祖先的基因、探索共同祖先基因排列方式的最佳“指南”。“海葵中许多聚集在一起的基因,在人类中仍旧聚集在一起,虽然经过了6、7亿年,” Putnam说,“我想我们能够指出其中一半的基因在共同祖先染色体上的排列。”

虽然海葵和人类有很大差异,但这两种动物的基因组有很大相似性。Putnam指出:“基因组的复杂性与生物体的复杂性之间不是简单的联系。”生物体复杂性的绝大部分原因是现有基因的调控,而不是新的基因。

据研究人员分析,真后生动物祖先已经具有操作基本的动物生化、发育、神经、肌肉功能的遗传“工具箱”。这些功能由动物之外的远古基因和早期生命形式中未曾见过的500种新基因相结合赋予的。

Rokhsar 说。“我们可以跟踪真后生动物大约80%的基因的进化历史,甚至上溯到动物出现之前,因为相关基因在真菌、植物、粘液菌(slime molds)等非动物生命形式中都存在。真后生动物祖先只有20%的基因似乎是动物所特有的,其中3/4是全新的——我们在非动物生命形式中几乎分离不到。剩下的1/4是由远古基因的修饰形成的。”

真后生动物的新基因很大程度上与细胞间信息传递有关。研究人员说:早期动物中,细胞演化出相互之间交流的方式及同步的机制。所有复杂细胞所共有的基因与细胞中的关键信号传递途径有关,虽然新的动物特异的基因似乎赋予了细胞之间相互作用的新方式。真后生动物的新基因没有使细胞互相粘附、互相通知和在新结构(突触)上传递神经冲动。基本上,海葵具有了外形更为复杂的生物所具有的与外界环境相互作用的基本机制。

Rokhsar打算将海葵基因组与其近亲——海棉、领鞭毛虫(choanoflagellates)的基因组进行对比,进一步研究最早期的真后生动物和其它早期动物,以便更好地了解动物的起源和基因组改变带来的生物多样性。“(生物通 小粥)

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