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古染色体重建揭示哺乳动物进化
来源:中国科学报      作者:唐一尘      时间:2017-06-27 00:00      关键词:

猩猩的染色体与祖先最接近。图片来源:USO/iStockphoto

人类有46条染色体,狗有78条,而一种位于南美洲的被称为红兔鼠的小型啮齿类动物,拥有惊人的104条染色体。数十年来,遗传学家一直对染色体在哺乳动物之间展现出的多样性感到惊讶,现在他们有可能弄清楚这些差异是如何发生的。

日前,一项针对所有胎盘类哺乳动物祖先的染色体数字重组研究,揭示了这些紧凑的DNA与蛋白质结构,随着时间的推移正在变得混乱,这个发现也许会帮助精确定位人类基因组中可能发生问题的位置,而其中的某些问题是构成癌症与其他疾病的基础。

未参与这项研究的澳大利亚堪培拉大学遗传学者Janine Deakin说:“这项研究能帮助我们弄清染色体是如何随着时间的推移而改变的,这种改变操控着染色体的重组过程,而染色体的重组可能引起新物种的形成。这是一项十分有意义的研究。”

哺乳动物共分为三类:产卵的单孔目动物,比如鸭嘴兽;有袋目的哺乳动物,比如袋鼠和负鼠;有胎盘的或真兽亚纲类哺乳动物,这个大类中包含人类以及其他大约4400种哺乳动物物种。最后一大类在哺乳动物中占较大比例,约1.5亿年前,该类型的早期成员体型约与现代老鼠相当,生活在树上,以昆虫为食。

为了理解胎盘类哺乳动物的染色体如何随着时间推移发生改变,研究人员需要弄清早期真兽亚纲类是如何演化而来的。而这就需要把一些复杂的拼图重新拼合在一起。

为了弄清真相,美国加利福尼亚州大学戴维斯分校的进化遗传学家Harris Lewin及其同事和合作者,对真兽亚纲动物家族树上不同年代的19种各类哺乳动物的基因组进行了比对,其中也包括少许灵长类动物在内。但这些基因组通常并不会揭示动物的DNA是如何分配给染色体的,它们只是给出DNA的序列。

于是,该团队成员、韩国建国大学的Jaebum Kim和同事编制了一个复杂的计算机程序,该程序能基于研究涉及的19个物种中现存于世的部分染色体,重建原始真兽亚纲动物的染色体。目前,研究人员已经找出了21对真兽亚纲类祖先的染色体,并将这一发现刊登于美国《国家科学院院刊》。

结果显示,尽管过去了1.5亿年,这些染色体中还是有小部分得以完整保存,而且,其上的基因排列没有发生变化,至少在猩猩和人类的细胞中是这样。Deakin说:“我发现一些祖先的染色体稳定性是非常显著的。”

但Kim和Lewin以及同事发现更多染色体已经被打断,并在染色体之间或染色体内部交换了位置。未参与该研究的俄罗斯圣彼得堡国立大学遗传学家Stephen O’Brien说:“这些变化是2.2万个脊椎动物基因包装顺序改变的足迹。”

目前,科学家总共发现了162个断点——染色体的断开导致其间的DNA散落并能够围绕断点自由移动。他们还发现,染色体的不规则性会随着时间的推移在哺乳动物的种群间不断改变。Lewin说:“令人惊讶的是这些染色体如何在不同谱系中差异进化,这就是染色体阶梯式变化引领新物种进化的最精彩例证之一。”

这项新研究表明,哺乳动物在早期就开始进化了,染色体断裂的速率是稳定的,并且相对较低,1000万年中大约有8条出现断裂。但是在6500万年前,在灵长类动物中,除了猩猩,该速率跳升至平均每1000万年就有20条染色体断裂。

Kim团队表示,正因如此猩猩的染色体看起来与古代祖先的最为相似,并且其中有8条染色体是完整且未发生改变的。而类似这样“原装”的染色体人类有5条,老鼠仅有1条。

研究人员同样揭示了灵长类动物体内得以完整保存的20号远古染色体,但在山羊和奶牛体内,该染色体却因为内部重组发生了巨大变化。老鼠的情况也是如此,与早期真兽亚纲类哺乳动物相比,它们的染色体链条已经非常不同了。但两者的原因却不相同:其染色体的交换改变并不是在一个给定的染色体内进行,而是在染色体之间完成的,即并非内部重组。

Lewin表示,该研究仍在继续,并且是博德研究所测序150多个哺乳动物项目的一部分。利用这些基因组,以及有袋目和单孔目哺乳动物的基因,研究人员计划弄清生活于1.85亿年前的首个哺乳动物的古基因组。“我期待看到这些分析的扩展,包括对所有哺乳动物的详细研究。”Deakin说。

同时,染色体断裂将有助于指导研究人员理解疾病的产生。“有很多医学综合征涉及染色体重组。而且,还有很多可能未被发现。”O’Brien表示。(唐一尘编译)


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