隐藏在DNA中的古老故事

在一项国际合作研究中，来自日本冲绳科学技术研究所研究生院、维也纳大学、加州大学伯克利分校、其他机构也对三种主要动物的染色体进行了比较，发现它们在5.5亿多年的时间跨度中具有惊人的稳定性。

　　

• 科学家们已经揭示，海洋无脊椎动物的基因组在漫长的时间里惊人地稳定。

• 在数百万年的时间里，随机突变导致染色体部分重新排列，在某些情况下，融合和混合，导致物种之间的基因组差异。

• 在这项研究中，对海绵动物、刺胞动物和双侧动物这三大类动物的基因组进行了比较，发现它们非常相似。

• 在许多软体动物中，研究人员发现四组基因混合在一起，而且这些混合基因非常古老，所有软体动物和其他相关物种都必须共享它们。

• 总的来说，研究人员鉴定了29个祖先的染色体片段，并发现其中一些片段在动物出现之前的8 -9亿年前就存在了，当时所有生命都是单细胞或非常简单的多细胞形式。

科学家们发现，海洋无脊椎动物的基因组在漫长的时间里惊人地稳定。这项新研究发表在《Science Advances》杂志上，对远亲动物群体进行了全面分析，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。

把基因组想象成位于每个细胞中，用DNA密码书写的操作手册。它包含了生物体运作的所有遗传信息。这本说明书分为几章(染色体)，这些章节又进一步细分为几页(基因)。

“在漫长的时间里——我指的是至少5.5亿年——由于随机突变，染色体中的基因顺序变得混乱，有点像把一本书中的一章的页面混在一起。更引人注目的是，有时我们发现两条染色体走到一起，混合在一起，就像章节被合并和洗牌，”Daniel Rokhsar教授解释道，他是论文的通讯作者，也是日本冲绳县科学技术研究所研究生院(OIST)分子遗传学单元的首席研究员。“但总的来说，我们发现了相当多的稳定性。尽管这三个群体的最后一个共同祖先生活在5亿多年前，但他们的许多染色体在某种意义上是相似的，因为它们包含相同的基因组。”

这项研究比较了三大类动物的基因组——海绵动物(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)。这些基因组要么是之前测序的，要么是在这项研究中首次报道的。尽管这些生物中有许多在此之前已经有了它们的基因组测序的“草稿”版本，但这项早期的研究未能研究整个染色体组织。现在，随着基因技术的进步，研究人员能够把这些难题放在一起，并比较基因是如何组织成长线索的。本研究首次对水螅的染色体进行了重构，对文昌鱼的染色体进行了大幅度的改良，并完成了广泛的比较分析。

这个国际研究小组包括来自OIST、维也纳大学、加州大学伯克利分校、圣克鲁斯分校、慕尼黑路德维希马克西米兰大学和伦敦大学学院的科学家，他们发现这五种不同动物的染色体之间惊人的相似之处，并证实这些相似之处也存在于其他动物的基因组中。在某些情况下，他们发现染色体融合的模式是特定的亚群动物。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，它们也类似于海洋软体动物草稿基因组中的融合。

Rokhsar教授解释说:“我们发现，基因可以在不同物种的同一染色体上，但通常顺序不同。在罕见的情况下，两条染色体融合在一起，然后通过打乱新融合的染色体而混在一起，这种融合是无法取消的，并成为染色体进化史的永久标记。这就像把两副牌洗牌一样。我们可以继续把它们洗牌，但它们再也不会分成两个完全相同的包了。”

当活着的动物有相同的融合时，研究人员推断融合一定发生在这些物种的一个古老的共同祖先身上。他们现在已经对尚未测序的基因组做出了几个可验证的预测。例如，研究小组预测，所有软体动物和相关的“螺旋动物”的基因组必须显示在扇贝中看到的一组特定的融合。

这些结果显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。“但当我们比较两种哺乳动物的基因组时，比如人类和老鼠，它们的染色体看起来像是分裂成几百个片段，然后混合在一起。我们在无脊椎动物身上发现的染色体规模的保守特征在哺乳动物身上是看不到的。”

他推测哺乳动物的染色体可能会以不同的方式进化，因为在历史上，哺乳动物比大多数海洋无脊椎动物生活在更小的群体中。小群体有助于这些随机突变的存活，这可能是为什么染色体重排在哺乳动物中更容易传播的原因。

研究人员总共识别出了29个祖先的染色体片段。此外，该研究小组还发现，在动物出现之前的8 -9亿年前，其中一些片段就已经存在了，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，一些基因已经在一起旅行了近10亿年，然而这些古老基因联系的结果仍然是一个谜。

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杂志

Science Advances

DOI

10.1126/sciadv.abi5884