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Science:古代染色体数字化重建揭示哺乳动物进化

摘要 : 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,遗传学家们一直对染色体在哺乳类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。

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,遗传学家们一直对染色体在哺乳类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。

目前,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,随着时间的推移已经变得混乱,这个发现也许会帮助精确地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3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是如何随着时间推移发生改变的,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目在内。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》上。

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的。Deakin说:“我发现一些祖先的染色体的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 OBrien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地进化,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,在灵长目动物中,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条染色体是完整且并未发生改变的。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目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而发生了巨大变化。老鼠的情况也是如此,与早期真兽亚纲类哺乳动物相比,它们的染色体链条也已经非常不同了。但原因却不同:它们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。

原文链接:

Digital reconstruction of ancient chromosomes reveals surprises about mammalian evolution

原文摘要:

Humans have 46 chromosomes. Dogs have 78. And a small South American rodent called the red viscacha has a whopping 104. Geneticists have marveled at the chromosomal diversity among mammals for decades, and now, they may know how it happened. A new digital reconstruction of the chromosomes of the ancestor of all placental mammals reveals that these tightly packed structures of DNA and proteins have become scrambled over time—a finding that may help pinpoint possible problem sites in our genomes that underlie cancer and other disease.

来源: Science 浏览次数:0

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