最大和最小的哺乳动物的参考基因组出炉

　　

同时研究世界上最大和最小的哺乳动物，也许是一件很酷的事情。美国莫格里奇研究所（Morgridge Institute for Research）的一组研究人员最近组装了两个新的参考基因组——一个来自最大的哺乳动物，另一个来自最小的哺乳动物。

蓝鲸的基因组发表在《Molecular Biology and Evolution》杂志上，伊特鲁里亚鼩鼱（Etruscan shrew）的基因组发表在《Scientific Data》杂志上。

两篇论文的第一作者、莫格里奇研究所的计算生物学家Yury Bukhman表示：“基因组是生物体的蓝图。为了操控细胞培养物或测定基因表达等情况，你需要知道该物种的基因组——这使得更多的研究成为可能。”

人们普遍认为，与小型生物相比，大型生物从受精卵发育到完全成年的时间要长，但原因尚不清楚。“从这个角度来看，这对基础生物学研究很重要。这么大的动物是如何形成的？它如何发挥功能？” Bukhman说。

大大小小的动物

分析最大和最小哺乳动物的基因组也许有助于解开被称为“佩托悖论”的生物医学之谜。这是一个奇怪的现象，鲸鱼和大象等大型哺乳动物比人类或老鼠等小型哺乳动物拥有更多的细胞（因此细胞分裂次数也更多），但它们的寿命更长，患癌症的几率也更低。

同时，对伊特鲁里亚鼩鼱基因组的了解也有助于更好地了解细胞代谢。鼩鼱体长仅为4-6厘米，体重为1-5克，体表面积与体积之比极高，且代谢速度快。这些高能量需求使其成为更好地了解代谢调节的有趣模型。

蓝鲸和伊特鲁里亚鼩鼱的基因组研究是脊椎动物基因组计划（VGP）中的一部分。这个计划的目标是为地球上所有现存的脊椎动物物种组装高质量的参考基因组。国际研究联盟包括基因组组装和管理方面的顶级专家。

“VGP已经建立了一套生产参考基因组的方法和标准，”Bukhman说。准确性、连续性和完整性是衡量质量的三个标准。

以往的基因组测序方法使用短读长测序技术，这种技术能够产生长度为150-300 bp的DNA序列（称为reads）。然后，将重叠的reads组装成更长的连续序列（称为contigs）。

与哺乳动物染色体相比，由短读数组装而成的contigs相对较小。因此，构建出的基因组草图往往是碎片化的，并且有很多缺口。

相反，在这两项研究中，研究团队使用了PacBio长读长测序技术，读长约为10,000 bp。它的主要优势在于contigs更长，且缺口更少。

Bukhman解释说：“然后你可以采用其他方法，比如光学图谱和Hi-C，将contigs组装成更大的结构，称为scaffolds，这些结构可以和整条染色体一样大。”

研究人员还分析了片段重复，即大片段的复制序列，通常包含基因。他们发现，蓝鲸在最近一段时间里出现了大量的片段重复，其拷贝数量超过了宽吻海豚和加湾鼠海豚。尽管以这种方式产生的大多数基因拷贝可能没有功能，或其功能尚不清楚，但研究团队确实发现了几个已知的基因。

其中一个基因编码金属硫蛋白（metallothionein），这种蛋白质被认为可以结合重金属并隔离其毒性。对于在海洋中生活并积累重金属的大型动物而言，这是一种有用的机制。

保护野生动物

参考基因组也有助于物种保护。20世纪上半叶，蓝鲸几乎被猎杀殆尽。如今，它受到国际条约的保护，种群数量正在恢复。

“在世界各大洋中，蓝鲸几乎无处不在，除了北极高纬度地区。因此，如果你有了参考基因组，那么你就可以进行比较，更好地了解全球不同地区不同蓝鲸群体的种群结构，” Bukhman说。“蓝鲸基因组的杂合性很高，仍然有很多遗传多样性，这对保护具有重要意义。”

那么问题来了：如何从生存于浩瀚大海的大型濒危生物身上获取样本？

加州大学圣巴巴拉分校的研究专家Susanne Meyer花了一年多的时间协调获取样本所需的许可、人员和资源。

一旦当地的鲸鱼观察团队确定了鲸鱼出现的时间和坐标，他们就聘请有执照的鲸鱼研究人员Jeff K. Jacobsen来进行鲸鱼活检，使用的是经过批准的标准鲸类动物皮肤活检技术。

研究小组从四只蓝鲸身上获得了样本，Meyer用这些样本来培养和扩增成纤维细胞，用于基因组测序和进一步的研究。

与体型大小无关

尽管对伊特鲁里亚鼩鼱基因组的研究没有像蓝鲸基因组那样广泛，但研究人员报告了一个有趣的结果。

“我们发现，鼩鼱基因组中的片段重复相对较少，”Bukhman说，同时强调这一结果并不一定与鼩鼱本身的体型较小有关。“虽然鼩鼱属于不同的哺乳动物目，但一些类似的小型啮齿动物也有大量的片段重复，在这方面家鼠是冠军，它拥有最多的片段重复。因此，与体型大小无关。”

随着脊椎动物基因组计划生成了更多的高质量参考基因组，Bukhman希望这些工作在未来继续推动生物学研究。