Cell发布首个完整的鸣禽基因组，有助于探究发声学习

　　

斑胸草雀（zebra finch）是研究最为深入的鸣禽之一，也是理解发声学习的生物学和神经科学基础的理想模型。如今，研究人员首次完成了该物种的完整基因组组装，揭示了数千个此前未知的基因和染色体结构。

洛克菲勒大学等机构的研究人员首次完整捕获了斑胸草雀的所有染色体，并区分来自亲本双方的DNA，使其成为迄今为止最完整、最精确的鸟类基因组。这项研究成果于8月6日发表在《Cell》杂志上。

研究揭示了2,710个此前未知的基因，表明鸟类和哺乳动物具有相似的着丝粒结构，并解析了微染色体的结构，为脊椎动物的进化和发声学习提供了线索。 

共同通讯作者、洛克菲勒大学的Erich D. Jarvis博士表示：“这是第二个发声学习者的基因组。第一个是人类。我们可以利用这个完整基因组来研究发声学习的生物学机制。”

爱叽叽喳喳的斑胸草雀一直是神经科学领域最重要的模式生物之一。它以丰富的鸣叫声而闻名，包括啁啾声、颤音，甚至还有卡通般的激光声音。与人类一样，斑胸草雀通过聆听和模仿其他鸟类来学习发声，这使它成为研究语言生物学的有力模型。

尽管已研究了数十年，但科学家们始终未能获得其完整基因组。鸟类基因组的组装难度众所周知，因为它们包含数十条微小的微染色体、更小的点状染色体，以及测序技术难以读取的长片段重复DNA。

早期构建的鸟类基因组，包括斑胸草雀的基因组，都存在大量缺口。研究人员不禁思考，那些看似缺失的基因，究竟是在漫长的进化过程中真正丢失了，还是刚好落入了不完整组装结果的缺口之中。

共同通讯作者、洛克菲勒大学的Giulio Formenti博士表示：“目前已报道了很多虚假的基因丢失。有些案例是真实的，但很多案例实际上只是由于基因组不够精确造成的。”

为了填补这些缺口，研究人员结合了多种测序技术。这需要新的计算方法、能够读取超长片段的DNA测序技术，以及一套定制的化学冲洗方案，当重复DNA序列导致测序停滞时，该方案会通过化学手段冲洗并重启设备。

最终获得的参考基因组补充了约90 Mb的DNA序列（7.8%），并填补了几乎所有剩余的缺口，揭示了鸟类中前所未见的生物学特征。在新组装的DNA中，研究团队发现了2,710个此前缺失或未注释的基因。

此次组装还解析了斑胸草雀全部11条点状染色体，揭示出其内部结构具有一致性，这可能保留了数亿年前大型染色体融合之前脊椎动物基因组的祖先结构。此外，研究还首次完成了雌性W染色体的完整组装，让人们更清晰了解鸟类性染色体的结构和遗传。

在这些新揭示的区域中，着丝粒尤为重要。着丝粒负责组装动粒并指导染色体分离：这是一项至关重要且高度保守的功能，但它却位于基因组中进化速度最快的序列上。分离失败会导致非整倍体，这是癌症的标志之一，也是人类流产和先天性疾病的主要原因。

通过绘制着丝粒图谱，研究人员发现这些区域的关键组分在鸟类与哺乳动物中是共享的。“着丝粒是细胞最基本的单元，它使每一次细胞分裂成为可能，并确保染色体的正确分离，”Formenti说。

这一发现推翻了一个长期以来的假设，揭示了曾经被认为仅存在于哺乳动物中的高度有序的着丝粒结构也存在于鸟类中。“获取这些着丝粒序列一直是最后的挑战，”Jarvis谈道。

同期《Cell》和《Cell Genomics》杂志上共发表了12篇论文，均来自端粒到端粒（T2T）联盟。在此次发布的非人类基因组中，斑胸草雀是唯一的鸟类基因组，也是极少数被完整组装的非灵长类脊椎动物之一。

“这是该领域的一个转折点。我们现在拥有了完整的基因组，科学家们可以利用它来探究生物学，”Jarvis说。