破译鸭嘴兽的基因组

2020-07-17 1033哺乳类

鸭嘴兽:一部分是鸟,一部分是爬行动物,一部分是哺乳动物——还有基因组证明了这一点。

由位于圣路易斯的华盛顿大学医学院领导的一个国际科学家联合会已经破译鸭嘴兽的基因组,显示出鸭嘴兽独特的混合特征反映在它的DNA中。今天发表在《自然》杂志上的一项基因组分析可以帮助科学家们拼凑出包括人类在内的所有哺乳动物进化的更完整的图像。

研究背景

鸭嘴兽被归类为哺乳动物,因为它产奶并被皮毛覆盖,它还具有爬行动物、鸟类和它们共同祖先的特征,同时也有一些自身的奇怪属性。鸭嘴兽是仅有的两种产卵的哺乳动物之一,它的喙长得像鸭子,嘴上有一个精密的电感应系统,用来在水下觅食。雄性拥有后腿的马刺,可以在繁殖季节向竞争配偶或领地的敌人输送诱导疼痛的毒液。

“鸭嘴兽基因组中令人着迷的特征组合为所有哺乳动物基因组的功能和进化提供了许多线索,”华盛顿大学基因组中心主任、该论文的资深作者Richard K.Wilson博士说通过将鸭嘴兽基因组与其他哺乳动物基因组进行比较,我们将能够研究在整个进化过程中一直保存的基因。”

鸭嘴兽代表了大约1.66亿年前哺乳动物谱系的最早分支,其祖先既具有哺乳动物的特征,又具有爬行动物的特征。”鸭嘴兽的独特之处在于,它保留了两个非常不同的分类之间的大量重叠,而后来的哺乳动物失去了爬行动物的特征,”领导该项目的遗传学助理教授韦斯·沃伦博士说。

破译鸭嘴兽的基因组,将鸭嘴兽基因组与后来分化的人类和其他哺乳动物的DNA以及鸟类的基因组进行比较,可以帮助科学家填补对哺乳动物进化认识上的空白。这项比较还将使科学家能够确定哺乳动物特有基因和特征的出现日期。

破译鸭嘴兽的基因组

《自然》杂志分析了澳大利亚新南威尔士一种名为格伦妮的雌性鸭嘴兽的基因组序列。该项目主要由国立卫生研究院下属的国家人类基因组研究所资助,包括来自美国、澳大利亚、英国、德国、以色列、日本、新西兰和西班牙的科学家。

“乍一看,鸭嘴兽似乎是进化意外的结果,”国家卫生研究所主任、医学博士弗朗西斯·S·柯林斯说但尽管这种动物看起来很奇怪,但它的基因组序列对于了解哺乳动物的生物过程是如何进化的是无价的。”

威尔逊说:“虽然我们一直能够根据这些生物的物理特征、内部解剖结构和行为来比较和考虑所有这些生物,但能够比较它们的基因蓝图并开始近距离观察进化是如何带来变化的,这真是令人惊奇。”

鸭嘴兽的基因组解释了动物的特殊特征,发现了哺乳动物进化的线索

作为分析的一部分,研究人员将鸭嘴兽基因组与人类、小鼠、狗、负鼠和鸡的基因组进行了比较。他们发现鸭嘴兽与这些动物共有82%的基因。之所以选择鸡基因组,是因为它代表了一组产卵动物,包括已灭绝的爬行动物,在进化过程中,这些动物将其大部分DNA传递给鸭嘴兽和其他哺乳动物。

研究人员还发现了支持产卵的基因——爬行动物的特征——以及哺乳——所有哺乳动物的特征。有趣的是,鸭嘴兽没有乳头,所以它的幼崽通过腹部的皮肤来喂养。

研究人员还试图在DNA水平上确定鸭嘴兽的哪些特征与爬行动物有关。当他们分析雄性鸭嘴兽产生毒液的基因序列时,他们发现这是由爬行动物祖先基因组进化而来的一组基因的重复造成的。令人惊讶的是,在有毒的爬行动物身上,相同基因的重复似乎是独立进化的。

鸭嘴兽在游泳时眼睛、耳朵和鼻孔都是闭着的,依靠嘴上的电感应受体来探测水下猎物发出的微弱电场。令人惊讶的是,研究人员发现,基因组包含了一个特定类型气味受体编码基因的扩展沃伦说:“我们原本预计这些气味受体基因很少,因为这些动物的大部分生命都是在水中度过的。”

在依赖嗅觉的动物身上也发现了类似的基因,比如啮齿动物和狗,科学家们怀疑,鸭嘴兽身上添加了这种基因,可以让它们在水下觅食时探测到气味。

鸭嘴兽基因组大约有22亿个碱基对,约为人类基因组的三分之二,包含约18500个基因,与其他脊椎动物相似。这种动物有52条染色体,其中包括数量不寻常的性染色体:10条。鸭嘴兽的X染色体与鸟类的性染色体相似,称为Z。

迄今为止,鸭嘴兽基因组的测序和组装远比其他哺乳动物基因组测序更为艰巨。大约50%的基因组是由DNA的重复元素组成的,这使得正确组装成为一个挑战。

鸭嘴兽的基因组序列,以及其他生物的基因组序列,如老鼠、狗、牛和许多其他动物的基因组序列都可以在GenBank上获得(http://www.ncbi.nih.gov/Genbank)在国家卫生研究院的国家生物技术信息中心。

引用

Washington University School of Medicine. "Platypus Genome Explains Animal's Peculiar Features; Holds Clues To Evolution Of Mammals." ScienceDaily. ScienceDaily, 7 May 2008. www.sciencedaily.com/releases/2008/05/080507131453.htm.

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