恒大集团

至少是人类13倍!非洲肺鱼基因组破解

2021-02-17 09:10来源: 呼和浩特日报

  在生物从水生过渡到陆生的过程中,四足动物的演化阶段发挥着重要作用。而目前已知还活着的、与四足动物最近的鱼类近亲便是肺鱼。

  西北工业大学、华南农业大学、中科院武汉水生生物研究所和中国农科院深圳农业基因组研究所、华大基因研究院等单位联合解析了非洲肺鱼首个完整且高质量的超大基因组。相关研究成果近日在线发表于《细胞》。

  异常庞大且极高质量组装的基因组

  “肺鱼拥有已知脊椎动物中最庞大的基因组,长期以来科学家们都未能对其解析成功,这使得脊椎动物从水生到陆生的研究缺失了一个关键环节。”论文通讯作者之一、西北工业大学教授王文说。

  非洲肺鱼基因组也许在各种肺鱼中是最小的,但其基因组大小至少是人类的13倍,有400多亿对碱基。因此,肺鱼基因组解析的工作量十分庞大,称得上是一项里程碑式的科学研究工程。

  “要想解析这样庞大的基因组,必须自主开发相应算法和软件。”王文表示,该研究项目催生了两个三代测序组装软件NextDenovo和wtdbg.2.0,它们也成为了基因组学研究领域的通用软件。

  “如此大的数据处理和比较还需要很强的计算生物学资源,以及敏锐细致的操控能力。”王文补充道,非洲肺鱼基因组不仅是目前解析的最大基因组,也是首个完整且高质量的超大基因组,染色体挂载率达99%以上。“这样一来,基因组解析技术得到了前所未有的跃升,今后基因组领域的相关研究需要达到的标准也会有所提高。”

  肺鱼超大基因组之谜

  非洲肺鱼基因组为何如此庞大?

  这在很大程度上归因于转座子。在非洲肺鱼演化过程中,LTR类转座子大量扩增,经过数亿年持续插入原有基因序列,其基因组才变得如此庞大。

  转座子又称“跳跃基因”,指的是一段很容易复制、插入,且对基因起调控作用的DNA序列。

  “通常情况下,转座子特别活跃,能‘跳来跳去’。”王文解释,“它是基因组变异的强大驱动力,所以也能为基因组演化提供可塑性。”

  而非洲肺鱼之所以有大量跳跃基因仍保持着稳定的演化过程,是因为其同时演化出了抑制转座子在生殖系细胞表达的能力,从而大大降低了有害遗传变异产生的可能性。

  此外,肺鱼基因组虽然是人类10多倍,但其基因数目却与人类差不多,因为肺鱼拥有大量的超长基因。

  神奇的是,肺鱼这些超长基因表达水平与短基因和其他物种的同源基因近似,表明肺鱼演化出了高效转录这些超长基因的机制。

  与此同时,超长基因的长度增长速率也比短基因低,提示肺鱼中基因长度的增长速度也受到了自然选择的控制。

  “物种在进化过程中总会找到变异与稳定之间的平衡机制,否则可能早就灭绝了。”王文说。

  “三步式”演化特征

  解析基因组只是认知脊椎动物水生到陆生演化这一重大科学问题的第一步。结合多学科交叉思路和手段的深入分析,研究人员发现,非洲肺鱼在肺、四肢、脑等结构上都出现了与陆生适应性状相关的遗传创新。

  王文提到,从原始辐鳍鱼类到肺鱼再到四足动物的演化过程中,与呼吸相关的基因经过了三步演化,这也对应了脊椎动物从水生到陆生呈现的三步式演化特征。

  “第一步,气呼吸能力和空气嗅觉的分子基础在硬骨鱼类共同祖先中出现;第二步,肉鳍鱼的祖先中出现了更多呼吸相关基因和功能元件,使得它们的空气呼吸能力进一步加强;第三步,四足动物演化出了更多基因和功能元件从而具备了完备的空气呼吸能力,成功摆脱水的桎梏。”

  与四肢运动相关的功能方面,演化也呈现渐进式创新的特点,四足动物的肱骨与基部辐鳍鱼的后鳍基骨为同源器官,桡骨可能起源于肺鱼和四足动物祖先,五指则起源于四足动物。

  此外,研究人员还发现,和抗焦虑密切相关的蛋白神经肽S及其受体在肺鱼和四足动物的祖先中共同出现。

  与此相吻合的是,大脑的杏仁核也是从肺鱼和四足动物祖先开始具备相对成熟的多分区结构。研究人员推测,肺鱼和四足动物的祖先在焦虑处理能力方面可能更强,以适应空气呼吸和陆地生活等完全不同的环境干扰。

  “未来,我们将进一步深入研究生物演化过程中遗传创新的一些新功能元件,在此基础上,结合仿生学和再生医学等领域的内容增加一些应用层面的研究。”王文说。

  (据《中国科学报》 )

[责任编辑: ]
阅读剩余全文(
为你推荐
3月4日,国家航天局发布3幅由我国首次火星探测任务天问一号探测器拍摄的高清火星影像图,包括2幅全色图像和1幅彩色图像。新华社发(国家航天局供图)  这是国家航天局公布的“天问一号”拍摄的高清火星影像图。
04
新华社记者 吴晓凌 摄  3月3日,人们走在美国加利福尼亚州旧金山唐人街街头。新华社记者 吴晓凌 摄  3月3日,一名男子从美国加利福尼亚州旧金山唐人街一家营业的餐馆里走出。新华社记者 吴晓凌 摄  3月3日,人们走在美国加利福尼亚州旧金山唐人街街头。
04
3月3日,由成都大熊猫繁育研究基地打造的成都大熊猫博物馆开馆。中新社记者 安源 摄  图为学生在馆内参观。中新社记者 安源 摄  图为博物馆讲解员在为学生讲解熊猫知识。中新社记者 安源 摄  图为学生在馆内参观。
04
3月3日,河北省沙河市交警大队民警在沙河市第四中学为学生讲解交通安全知识。新学期伊始,河北省沙河市交警大队联合辖区内多所中小学开展“文明交通宣传进校园”活动。新学期伊始,河北省沙河市交警大队联合辖区内多所中小学开展“文明交通宣传进校园”活动。
04
3月3日拍摄的位于青海省海南藏族自治州共和县光伏产业园内的一处塔式光热发电项目(无人机照片)。截至2020年底,青海清洁能源装机总规模3638万千瓦,青海海南、海西地区清洁能源装机分别达到1841万千瓦和1043万千瓦,两个“千万千瓦级”可再生能源基地全面建成,青海正成为国家重要的新型能源产业基地。
04
当日,上海阳光明媚,上海静安雕塑公园的樱花大道上早樱盛开,吸引众多市民游客前来观赏樱花,享受美好春光。当日,上海阳光明媚,上海静安雕塑公园的樱花大道上早樱盛开,吸引众多市民游客前来观赏樱花,享受美好春光。
03
这是3月2日在美国加利福尼亚州南部拍摄的车祸现场。美国加利福尼亚州南部2日发生一起严重车祸,造成至少15人死亡。新华社/美联  这是3月2日在美国加利福尼亚州南部拍摄的车祸现场。新华社/美联
03
这是3月1日拍摄的宁夏灵武市白土岗乡海子井村,村民沿着公路盖了新房(无人机照片)。新华社记者 杨植森 摄  这是3月1日拍摄的宁夏灵武市白土岗乡海子井村,村民沿着公路盖了新房(无人机照片)。
03
连日来,河北省沙河市西部山区出现降雪天气,白雪覆盖的梯田宛如一幅水墨画。连日来,河北省沙河市西部山区出现降雪天气,白雪覆盖的梯田宛如一幅水墨画。连日来,河北省沙河市西部山区出现降雪天气,白雪覆盖的梯田宛如一幅水墨画。
03
3月2日,村民在贵州省丹寨县龙泉镇马寨村茶园采摘春茶(无人机照片)。新华社记者 杨楹 摄  3月2日,茶企员工和村民在贵州省丹寨县龙泉镇马寨茶园采摘春茶。新华社记者 杨楹 摄  3月2日,茶企员工和村民在贵州省丹寨县龙泉镇马寨村茶园采摘春茶。
03
据法国媒体1日报道,法国巴黎轻罪法院当天裁定前总统萨科齐“腐败”和“以权谋私”罪名成立,判处其3年有期徒刑,其中包括1年实刑。据法国媒体1日报道,法国巴黎轻罪法院当天裁定前总统萨科齐“腐败”和“以权谋私”罪名成立,判处其3年有期徒刑,其中包括1年实刑。
02
当日,福建省渔业渔政部门在南平市开展禁渔期联合执法行动。南平市延平区市标至福州市长乐区金刚腿的闽江干流江段除休闲渔业、娱乐性垂钓外,禁止所有捕捞作业。南平市延平区市标至福州市长乐区金刚腿的闽江干流江段除休闲渔业、娱乐性垂钓外,禁止所有捕捞作业。
02
3月1日,在黑龙江省红旗农场农业园区温室大棚内,种植户在进行育苗生产。春耕时节,位于哈尔滨市的黑龙江省红旗农场发挥设施蔬菜生产优势,推进棚室蔬菜育苗生产。春耕时节,位于哈尔滨市的黑龙江省红旗农场发挥设施蔬菜生产优势,推进棚室蔬菜育苗生产。
02
初春时节,四川省丹棱县顺龙乡幸福古村春意盎然,百花齐放,吸引各地游客前来踏青休闲。新华社记者 江宏景 摄  3月1日,游客在幸福古村里游玩(无人机照片)。新华社记者 江宏景 摄  3月1日,游客在幸福古村里游玩(无人机照片)。
02
目前正值春耕备耕时期,在浙江省湖州市吴兴高新区灵粮农场的农业大棚内,工作人员抢抓农时,积极开展耕地、除草、播种、施肥等春耕生产活动。目前正值春耕备耕时期,在浙江省湖州市吴兴高新区灵粮农场的农业大棚内,工作人员抢抓农时,积极开展耕地、除草、播种、施肥等春耕生产活动。
02
2月28日,第二批共40万剂国药新冠灭活疫苗抵达珠澳跨境工业区边境站。新华社记者 张金加 摄  2月28日,澳门特区政府卫生局药物事务厅稽查人员查看货车实时温度数据。新华社记者 张金加 摄  2月28日,澳门特区政府卫生局局长李展润(中)签署接收疫苗文件。
01
3月1日,小学生们走进北京明远教育书院实验小学望花路校区,开始新学期的校园生活。中新社记者 张云 摄  2月28日,山西省太原市,防疫消杀人员正在对新建路小学校园进行全面消杀作业,为新学期做准备。
01
近日,上海春雨绵绵,润泽万物。近日,上海春雨绵绵,润泽万物。近日,上海春雨绵绵,润泽万物。近日,上海春雨绵绵,润泽万物。近日,上海春雨绵绵,润泽万物。近日,上海春雨绵绵,润泽万物。
01
当日,贵州省遵义市余庆县大乌江镇大乌江小学在余庆县红军突破乌江纪念园举行开学第一课,开展"走进红色课堂、传承红色基因"主题活动。当日,贵州省遵义市余庆县大乌江镇大乌江小学在余庆县红军突破乌江纪念园举行开学第一课,开展"走进红色课堂、传承红色基因"主题活动。
01
内蒙古自治区通辽市开鲁县脱贫户包莲在直播弹奏四弦胡琴(2月22日摄)。新华社记者 贺书琛 摄  内蒙古自治区通辽市开鲁县脱贫户包莲展示自己的新琴(左)与旧琴(2月22日摄)。
01
载入更多资讯
返回
返回

点击右上角微信好友

朋友圈

点击浏览器下方“”分享微信好友Safari浏览器请点击“”按钮

点击右上角QQ

点击浏览器下方“”分享QQ好友Safari浏览器请点击“”按钮