从北美隐鳃鲵看基因组的扩张

作者:天羽

在2014年10月河南新乡举办的中国动物学会两栖爬行动物学分会学术研讨会上,东道主河南师范大学对外公布了中国大鲵基因组测序的计划与进展,引起了广泛的关注。为什么大鲵的基因组比较特别呢?其本质的原因就是一个“大”字。据估计,中国大鲵的基因组达到50G左右。如果你对这个数字没有概念,那么没关系,可以和我们人类进行比较,人的基因组一共有2.9G。也就是说,大鲵的基因组大约是人的17倍。更进一步,在人的基因组中,真正编码蛋白质的基因更是少得可怜,大约只占基因组的1%,而这些编码基因在动物当中是比较保守的,也就是说在大鲵中数量应该也差不多。因此,大鲵基因组为什么这么大,成为了长期困扰大家的一个难题。

我们还是要先回到整个动物界,实际上基因组大小在不同动物间完全没有规律可循,其大小从20M到130G不等,差距达到6500倍左右(回忆一下中学课程里的C值矛盾)。而在所有动物中,大多数的大基因组动物都是两栖有尾类家族的成员,它们的基因组比鸟类、哺乳类、爬行类和蛙类都要大,当然也包括鱼类(不过肺鱼是一个例外)。而且,大部分的有尾类是二倍体动物,而不是多倍体。这表明,有尾类的基因组在进化过程中发生了扩张。

尽管中国大鲵的基因组测序还在进行当中,美国科罗拉多大学针对中国大鲵的近亲——北美隐鳃鲵(Hellbender)的一项研究,为解析动物基因组的扩张,增加了新的证据。他们同样是进行基因组测序,不过只是选取了基因组中很小的一部分,类似于随机抽样,这样难度就会比整个基因组测序小很多。利用454-FLX-LR高通量测序平台进行,他们一共得到了约2百万条随机序列,相当于整个北美隐鳃鲵55G的基因组的1.33%。

通过对这些随机序列进行分析,研究人员发现一种叫做长末端重复逆转座子(LTR retrotransposons)的元件充斥在整个北美隐鳃鲵的基因组中,这个现象也在另外六种无肺螈中被发现,暗示LTR逆转座子的不成比例扩张是有尾类基因组扩张的最主要原因。通过对这些LTR逆转座子进行系统发育分析,发现它们的扩张是随着物种分化而进行的,而不是基因的水平转移。

最讨厌

1. LTR逆转座子在有尾类和其它动物中分布

同时,他们也发现隐鳃鲵基因组小插入缺失的丢失率也比其它动物要低,这也可能是促进有尾类基因组扩张的一个原因。

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2. 基因组丢失率的比较

除了基因组的进化,基因组扩张所造成的表型进化可能更值得研究。现在的一些研究认为有尾类动物的一些特征可能与大基因组有关,比如骨骼和循环系统、增大的细胞核和细胞体积、以及降低的细胞分裂分化速率。但是,这些观点大都是基于分析推导而缺少有效证据。对北美隐鳃鲵基因组的研究,向破解动物的大基因组之谜又前进了一步,但要想彻底弄明白这个问题,还需要大量的努力。

 

延伸阅读

1. Sun and Mueller. 2014. Hellbender genome sequences shed light on genomic expansion at the base of crown salamanders. Genome Biol Evol 6(7): 1818-1829.

 

中国科普博览-从水到陆专栏 首发

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