Nature發(fā)布基因組測(cè)序驚人發(fā)現(xiàn)
日期：2015-11-19 09:12:48
來自沖繩科學(xué)技術(shù)研究院大學(xué)(OIST)的一支研究團(tuán)隊(duì)與合作者們，完成了對(duì)兩個(gè)稱作為柱頭蟲(acorn worm)的小水生生物物種的測(cè)序，顯示相比于許多其他動(dòng)物，我們與柱頭蟲共享了更多的基因，確立了它們是我們的遠(yuǎn)親。研究結(jié)果發(fā)布在《自然》（Nature）雜志上。
研究發(fā)現(xiàn)，所有后口動(dòng)物（deuterostome）共享了8,600個(gè)基因家族。后口動(dòng)物是一個(gè)大的動(dòng)物群包括了從柱頭蟲到海星，從青蛙到狗至人類的各種生物。這意味著我們有70%的基因可以追溯祖先至原始后口動(dòng)物。通過比較柱頭蟲和其他動(dòng)物的基因組，OIST科學(xué)家推斷這些基因存在于所有后口動(dòng)物共同的祖先——生活在5億年前的一種滅絕動(dòng)物中。這一研究顯示咽基因簇為后口動(dòng)物所獨(dú)有，它有可能與咽的形成有關(guān)聯(lián)。在人體內(nèi)咽連接了口鼻與食道。
大約5.5億年前，在稱作為寒武紀(jì)大爆發(fā)（Cambrian explosion）的事件中大量的動(dòng)物突然出現(xiàn)在這個(gè)世界上。這一輻射演化顯示了幾種新的動(dòng)物身體圖式和在地球上永久改變的生命，出現(xiàn)了一些具有專門腸道和行為特征的復(fù)雜動(dòng)物。通過對(duì)后口動(dòng)物群的多個(gè)當(dāng)代動(dòng)物進(jìn)行基因組測(cè)序，我們可以讓時(shí)光倒流揭示出這樣多樣的動(dòng)物群，它們很久之前滅絕的祖先的一些方面。
柱頭蟲是生活在海底的一類海洋生物，其通過口與食道之間、腸道區(qū)域中的一些裂縫過濾源源不斷的海水來喂養(yǎng)自己。這些裂縫與魚的腮有著遙遠(yuǎn)的親緣關(guān)系，代表了未與果蠅或蚯蚓等動(dòng)物共享的、進(jìn)化中一個(gè)重要的創(chuàng)新。由于玉柱蟲占據(jù)了相對(duì)人類如此至關(guān)重要的進(jìn)化位置，研究人員測(cè)序了兩個(gè)親緣關(guān)系遙遠(yuǎn)的柱頭蟲物種：收集于夏威夷的大鼻子橡蟲（Ptychodera flava）和來自大西洋的囊舌蟲 (Saccoglossus kowalevskii)。研究的主要作者Oleg Simakov博士說：“它們的基因組對(duì)于填補(bǔ)我們對(duì)所有后口動(dòng)物共同祖先共享基因認(rèn)識(shí)上的空白至關(guān)重要。”
除了測(cè)序這兩個(gè)生物，研究小組還對(duì)鑒別存在于后口動(dòng)物祖先中的遠(yuǎn)古基因家族感興趣。他們比較了兩種柱頭蟲和32種不同動(dòng)物的基因組，發(fā)現(xiàn)在所有后口動(dòng)物中大約有8,600個(gè)基因家族是同源的，亦即是進(jìn)化相關(guān)的，因此自信地推斷出這些基因家族也存在于它們后口動(dòng)物祖先的基因組中。人類的手臂、鳥的翅膀、貓的爪子和鯨的鰭肢都是典型的同源性范例，因?yàn)樗鼈兌荚醋怨餐嫦鹊闹w。和解剖結(jié)構(gòu)一樣，基因同源性也是根據(jù)共同的祖先進(jìn)行定義。由于后來的基因復(fù)制及其他過程，這8,600種同源基因?qū)?yīng)了至少14,000個(gè)基因——當(dāng)前人類基因組的大約70%。
這項(xiàng)研究還鑒別出了在柱頭蟲、人類及其他脊椎動(dòng)物基因組中靠近的基因簇。這些基因簇遠(yuǎn)古時(shí)代便彼此接近，保持了5億多年，表明這些基因有可能是作為一個(gè)單元來發(fā)揮功能。一個(gè)與脊椎動(dòng)物和柱頭蟲咽發(fā)育相關(guān)的基因簇尤其讓研究人員感興趣。這一基因簇為所有后口動(dòng)物所共享，但不存在于諸如昆蟲、章魚、蚯蚓和扁蟲等非后口動(dòng)物中。柱頭蟲和其他動(dòng)物的咽起著過濾食物，引導(dǎo)食物進(jìn)入消化系統(tǒng)的功能。在人類中這一基因簇在甲狀腺和咽形成過程中活化。
科學(xué)家們提出現(xiàn)代甲狀腺的功能和柱頭蟲濾食性攝食機(jī)制之間存在關(guān)聯(lián)。這一咽基因簇包含了6個(gè)基因，在所有后口動(dòng)物中以相同的方式排列，其中一些基因編碼的4個(gè)蛋白是至關(guān)重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，控制了許多其他基因的激活。一些在染色體DNA中以相同方式排列、位置彼此靠近的基因連鎖在一起，從一代傳遞至下一代。有趣的是，后口動(dòng)物不僅分享了這些轉(zhuǎn)錄因子基因的編碼DNA，還有一些作為動(dòng)物間保守轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)的DNA片段。
“對(duì)柱頭蟲基因組的分析結(jié)果，讓我們窺探到了我們寒武紀(jì)祖先的復(fù)雜性，并提供了輔助材料支持咽發(fā)育和最終促成我們進(jìn)化的濾食性攝食機(jī)制之間的古老聯(lián)系，”Simakov說。
