Nature：文昌鱼基因组序列分析解密脊椎动物进化中基因四倍体的现象

　　

图片：无脊椎动物文昌鱼，嘴上有触手样的丝条称为触须，用于捕食水中的浮游生物。

 

 

对羽管状海洋生物文昌鱼基因组的最新分析表明，5.5亿年以来进化进程中脊椎动物比原始祖先的基因组多出四倍的拷贝量，对文昌鱼的基因组分析为此结论提供了证据。

 

已故的遗传学家Susumu Ohno在1970年的时候就证明，基因的拷贝量是促进进化生成高级生物体的重要动力，根据Ohno的理论推测，人类基因组一定含有高达100000个独特的基因。

 

相反，人类基因组计划组织发现今天人类的基因组只含有20，000到25，000个基因，这也就意味着我们来自祖先的基因组已经double再double了，大部分的二倍体拷贝基因已经丢失。对文昌鱼进行分析，或者说对文昌鱼的基因组进行分析的结果发表在6月19日的《Nature》上。

 

Daniel S. Rokhsar 说，5.5亿年以前，文昌鱼与人类具有共同的祖先，这也就允许我们将文昌鱼作为祖先的代表与人类基因组进行比对分析，以此来揭示脊椎动物进化过程中的奥秘。Daniel S. Rokhsar是加利福尼亚大学Berkeley's基因组分析中心的教员，也是加利福尼亚州Walnut Creek 市Energy Joint Genome 研究所基因组计算研究项目的负责人。Energy Joint Genome 研究所的的博士后Nicholas H. Putnam主要负责文昌鱼的测序工作和序列分析工作，也是Nature上文章的lead author。

 

将人类的23个同源染色体与文昌鱼的19个同源色体进行对比分析，我们发现，两个基因组有17个共同的祖先留下的片段。因此，我们可以肯定的说，在5.5亿年前，人类和文昌鱼共同的祖先有17个同源染色体。

 

Energy Joint Genome 研究所的博士后Nicholas H. Putnam与Rokhsar以及来自国际的多个合作者（有美国、日本、英国、西班牙），协同合作对基因组进行了重建。祖先的17个同源染色体上每一个的基因在脊椎动物的进化过程中增加了拷贝量，变为二倍体，而大部分的常规的“管家基因”都失去了拷贝份。Putnam说，而留下来的大约2000个基因被发现有一些新的功能，就是这些新的功能使我们慢慢进化成与其他生物不一样的物种。

 

他说，这几千个基因重新组装使人类基因组比祖先的基因组更精细。这些基因的新功能赋予人类更多的身体机能，并与其他动物区分开来。这些假说已经被我们的数据所证明，某些基因的拷贝量的增加使得脊椎动物获得更多的新功能并进化形成我们所知的脊椎动物。

 

coauthor Linda Z. Holland说，最令人兴奋的是，文昌鱼的基因组就为1970年Ono首次提出的理论提供了最佳的理论依据，也就是说，人来基因组在后来某些基因缺失的情况下又经历了基因组的复制拷贝过程。很长一段时间里，我们对这个理论缺少证据。但是文昌鱼的基因组分析让我们重新得到最佳的证据。coauthor Linda Z. Holland是圣地亚哥加利福尼亚大学海洋生物研究所的文昌鱼生物学和遗传学专家，他也是文昌鱼基因组测序和分析项目的负责人。

 

有趣的是，海鞘，一种背囊动物，由于海鞘具有十分简单的身体构造，之前被认为是属于早期的脊索动物门。将人类基因组与文昌鱼，海鞘相比，发现文昌鱼是无脊椎动物到有脊椎动物的过渡阶段。

 

Rokhsar说，海鞘以及它们同属的动物已经被认为具有脊索动物的基因组，并且这些基因组具有不同方式的简化，而文昌鱼的基因组被认为仍保留了这些特性。

 

研究人员尝试重新构建5.5亿年前寒武纪后所产生的变化，当一种类似文昌鱼的生物开始进化并进化成脊索动物的分支：cephalocordates（类似文昌鱼的物种）；尾索动物（类似海鞘的物种）；以及和我们相似的脊椎动物。Cephalocordates和尾索动物都是物脊椎的动物，它们拥有一条柔软的脊索来保护它们的脊髓。

 

佛罗里达文昌鱼属的佛罗里达文昌鱼，外表看上去很像鱼，但是却有坚硬的脊索，用于在水中游动并钻进沙里，并在水中浮游植物间漂浮只露出头来维持平衡。文昌鱼是典型的夜游生物，晚上从沙里出来，并以侧行的方式游走。

 

如果你在思考，所有的双侧对称的生物的祖先又是谁呢，你可以认为是蠕虫样的生物，就像文昌鱼这样的软体的长型的蠕虫样的生物。

 

为了研究脊索动物的进化过程，Energy Joint Genome 研究所的人员对文昌鱼的基因组进行了分析，这些文昌鱼来自佛罗里达州Tampa海湾15英尺深的水域。Putnam, Rokhsar, Holland 和来自英国牛津大学的Peter Holland，日本京都大学的Noriyuki Satoh合作开展的彻底深入的分析，分析结果表明，生物的19个同源基因组图谱上有人类基因组的17个片段，而每一个这种片段在人类基因组上都有四个拷贝量。

 

人类基因组在祖先的基因组基础上遗失了一些基因后，开始染色体重组和融合，这17个祖先的基因片段在人类基因组上进行了两次的拷贝复制。Rokhsar说，这些证据来自对基因组的计算分析，我们的结果也仅仅来自这些分析。

 

Linda Holland 说，Putnam的基因组分析结果表明，许多的基因拷贝就下来慢慢的遗失了，主要遗失的是那些“管家基因”，因为这些基因编码结构蛋白、酶、代谢途径，这些是我们并不需要拷贝的基因。

 

Rokhsar说，不过，有大约2000多个基因没有变为单拷贝。这些额外的基因拷贝量获得了一些功能，这些拷贝可以保证这些基因不再被遗失。大量的调节基因被高倍的浓缩的起来，这些调节基因一般用于表达转录因子和基因信号传达的物质。

 

Holland， Marine Biology Research Division的生物学家，也是最新发表在Genome Research上文章的lead author，文章的标题是，脊椎动物从旧基因进化成新基因功能的基因变化细节。

 

她说，我们发现今天高级的脊椎动物并没有产生大量的新基因来满足复杂的机能。对文昌鱼的基因组进行分析的结果表明，脊椎动物将古老的基因进行重组，并调节和改变基因的功能。

人类和其他的脊椎动物用这种基因拷贝的方法制造出大量新的物种结构，这些都是在文昌鱼中所没有的，比如说，细胞色素和II型软骨的胶原质。

 

Putnam还注意到另外的有趣发现，来自文昌鱼基因组分析的补充发现，大部分的生物都有比人类还多的遗传变异活动。两个人的基因组比对时1000个核酸中只有1个有差异，而两个文昌鱼比对结果发现，每16个核酸中就有1个差异。

 

Putnam说，海底脊索动物的变异达到了6%的几率，也就是说，平均每16个中就有1个发生变异，这是十分惊人的变异率，这与人类和猿类的变异率是截然不同的。人类是一种特殊的物种，因为我们庞大的人口数量和非洲相反的情况。我们和浅水的虫类物种来比较发现，我们的变异率很低。

 

原文标题：Genome sequence of lancelet shows how genes quadrupled during vertebrate evolution

（生物通 张欢）