Nature重磅:跨越1.8亿年,解密哺乳动物祖先染色体 | CNGBdb支撑发表科研成果速递

2021-01-07 147CNGBdb

北京时间2021年1月7日,Nature刊发了一项重磅研究成果:深圳华大生命科学研究院联合中外多国科学家,绘制出鸭嘴兽和针鼹的高质量基因组,并据此与人、有袋类动物、鸟类和爬行类等多种动物基因组进行比较追溯,最终跨越1.8亿年,重建了现生哺乳动物共同祖先的基因组图谱。

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国家基因库为这一科研项目的基因组组装及数据分析提供了高效的计算能力支持。同时,此项研究中鸭嘴兽和针鼹的基因组测序及组装数据、针鼹的转录组数据均已存储于国家基因库生命大数据平台(CNGBdb),项目编号分别为:CNP0000130CNP0000697, CNP0000779

研究背景

作为最早与其他哺乳动物分歧的物种,单孔目(如鸭嘴兽、针鼹)处在哺乳动物的演化过程中一个非常重要的位置,是我们了解哺乳动物演化历史的关键分支。这些独特的生物学特性和演化地位一直吸引着科学家对它们的性状特征、起源进行研究。

核心成果

构建染色体级别的高质量基因组

研究团队突破了以往的基因组组装,特别是性染色体组装技术难点,基于PacBio、10X、Bionano、Hi-C等最新的测序技术,为鸭嘴兽和针鼹这两个物种构建了染色体级别的高质量基因组,为后续研究内容的展开提供了坚实的数据支撑。

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构建出现生哺乳动物的祖先染色体

对于现生哺乳动物的共同祖先,我们已经能通过化石证据还原它们的一部分外观特征,但其染色体数目尚不清楚。基于本项研究产生的两个高质量单孔目基因组,研究团队首次构建出现生哺乳动物最近共同祖先染色体(2n=60),绘制了现生哺乳动物早期祖先的演化图谱——最早可追溯至1.8亿年前的哺乳动物祖先物种类群。

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现生哺乳动物的共同祖先生活在距今约1.8亿年前,染色体数为60条;兽亚纲哺乳动物共同祖先出现在距今约1.6亿年前,染色体数为36条;有袋类哺乳动物祖先出现在距今约8千万年前,染色体数为14条。

单孔目的性染色体是如何形成的?

基于该项研究构建的高质量基因组,研究团队发现,单孔目物种的5条X染色体与其他绝大多数哺乳动物的X染色体序列并不相似,但有一部分序列跟鸟类的性染色体同源。

通过进一步与其它物种基因组进行比较分析,研究人员发现,此前针对单孔目性染色体形成机制的主流假设——5对性染色体由两个古老的单孔目类群杂交产生——并不成立。

研究团队根据该项目的数据分析结果,提出单孔目中的多对性染色体更可能是通过多对古老的常染色体相互之间发生了非同源片段的交换,即转座异位事件,在多次交换之后,形成了如今的5对性染色体。

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研究团队发现,单孔目物种的X、Y染色体长度、基因数目等方面均存在差异,这一点与其他绝大多数物种的性染色体类似。在单孔目的5条X染色体当中,最古老的应该是X1染色体,出现在距今大约1.75亿年前,单孔目潜在的性别决定基因AMHX也正是位于这条染色体上;此后依次出现的是X2、X3、X5;最年轻的一条性染色体是X4,在鸭嘴兽和针鼹分化之后才各自独立演化而来。但出乎意料的是,与AMHX同源的AMHY基因,并不在减数分裂时期与X1配对的Y1染色体上,而是位于Y5上。此外,绝大多数X1基因的同源基因也处在Y5上。研究团队由此推测,在单孔目性染色体演化的初期,5对性染色体可能在减数分裂时形成一个首尾相接的罕见环状结构,但这个结构随着Y染色体的一步步退化最终断开,形成了我们现在观测到的链状结构。

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单孔目的多对性染色体之间的相互作用明显高于常染色体之间的相互作用,这一现象可能与单孔目多对性染色体的形成机制有关。

研究意义

From 研究团队

“我们这次构建出的哺乳动物祖先序列对于理解包括人在内的哺乳类如何发生辐射性的适应演化提供了重要的参考信息。”论文第一作者,丹麦哥本哈根大学和深圳华大生命科学研究院联合培养的周旸博士表示,“现代人有46条染色体,而我们和鸭嘴兽的共同祖先很可能有60条染色体,这些染色体经过了很多次的变异才形成了今天的状态。”

“鸭嘴兽和针鼹等单孔类哺乳动物是非常古老的类群,它们与其他所有现生哺乳动物在演化上是姐妹群的关系,并于约1.8亿年前与其他哺乳动物分化开来。它们的基因组数据可以帮助我们了解1.8亿年前哺乳动物的共同祖先,以及这1.8亿年间不同哺乳动物类群在演化过程中各自发生了什么变化。”论文的通讯作者之一,澳大利亚的弗朗克·格鲁兹纳教授如是说。

“通过最新的测序技术结合分子标记图谱,我们可以获得质量更高的染色体级别的基因组数据,通过我们建立的算法,可以很系统的开展比较分析,帮助我们更好地理解物种演化过程中的分子机制。”该研究的通讯作者,深圳华大生命科学研究院、中国科学院昆明动物研究所及丹麦哥本哈根大学的张国捷教授总结说,“这一研究不仅揭示了精细的染色体结构变异过程如何影响哺乳动物早期演化过程,同时也解答了许多单孔目物种这一特殊哺乳动物类群许多特殊生物学性状的产生机制。”

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-03039-0
信息来源:“深圳国家基因库”公众号、“BGI华大”公众号
封面图片来源于“BGI华大”公众号
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