Nature發布基因組測序驚人發現

日期：2015-11-20 09:07:51

來自沖繩科學技術研究院大學(OIST)的一支研究團隊與合作者們，完成了對兩個稱作為柱頭蟲(acorn worm)的小水生生物物種的測序，顯示相比于許多其他動物，我們與柱頭蟲共享了更多的基因，確立了它們是我們的遠親。研究結果發布在《自然》（Nature）雜志上。

研究發現，所有后口動物（deuterostome）共享了8,600個基因家族。后口動物是一個大的動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物。通過比較柱頭蟲和其他動物的基因組，OIST科學家推斷這些基因存在于所有后口動物共同的祖先——生活在5億年前的一種滅絕動物中。這一研究顯示咽基因簇為后口動物所獨有，它有可能與咽的形成有關聯。在人體內咽連接了口鼻與食道。

大約5.5億年前，在稱作為寒武紀大爆發（Cambrian explosion）的事件中大量的動物突然出現在這個世界上。這一輻射演化顯示了幾種新的動物身體圖式和在地球上永久改變的生命，出現了一些具有專門腸道和行為特征的復雜動物。通過對后口動物群的多個當代動物進行基因組測序，我們可以讓時光倒流揭示出這樣多樣的動物群，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、腸道區域中的一些裂縫過濾源源不斷的海水來喂養自己。這些裂縫與魚的腮有著遙遠的親緣關系，代表了未與果蠅或蚯蚓等動物共享的、進化中一個重要的創新。由于玉柱蟲占據了相對人類如此至關重要的進化位置，研究人員測序了兩個親緣關系遙遠的柱頭蟲物種：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：“它們的基因組對于填補我們對所有后口動物共同祖先共享基因認識上的空白至關重要。”

除了測序這兩個生物，研究小組還對鑒別存在于后口動物祖先中的遠古基因家族感興趣。他們比較了兩種柱頭蟲和32種不同動物的基因組，發現在所有后口動物中大約有8,600個基因家族是同源的，亦即是進化相關的，因此自信地推斷出這些基因家族也存在于它們后口動物祖先的基因組中。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，因為它們都源自共同祖先的肢體。和解剖結構一樣，基因同源性也是根據共同的祖先進行定義。由于后來的基因復制及其他過程，這8,600種同源基因對應了至少14,000個基因——當前人類基因組的大約70%。

這項研究還鑒別出了在柱頭蟲、人類及其他脊椎動物基因組中靠近的基因簇。這些基因簇遠古時代便彼此接近，保持了5億多年，表明這些基因有可能是作為一個單元來發揮功能。一個與脊椎動物和柱頭蟲咽發育相關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物中。柱頭蟲和其他動物的咽起著過濾食物，引導食物進入消化系統的功能。在人類中這一基因簇在甲狀腺和咽形成過程中活化。

科學家們提出現代甲狀腺的功能和柱頭蟲濾食性攝食機制之間存在關聯。這一咽基因簇包含了6個基因，在所有后口動物中以相同的方式排列，其中一些基因編碼的4個蛋白是至關重要的轉錄調控因子，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，后口動物不僅分享了這些轉錄因子基因的編碼DNA，還有一些作為動物間保守轉錄因子結合位點的DNA片段。

“對柱頭蟲基因組的分析結果，讓我們窺探到了我們寒武紀祖先的復雜性，并提供了輔助材料支持咽發育和最終促成我們進化的濾食性攝食機制之間的古老聯系，”Simakov說。