在動(dòng)物王國(guó)的基因組測(cè)序中，大小并不重要，莫格里奇研究所的一組研究人員最近在組裝兩個(gè)新參考基因組的序列時(shí)表明，一個(gè)來自世界上最大的哺乳動(dòng)物，另一個(gè)來自其中一種最小的。

藍(lán)鯨基因組發(fā)表在《分子生物學(xué)與進(jìn)化》雜志上，伊特魯里亞鼩鼱基因組發(fā)表在《科學(xué)數(shù)據(jù)》雜志上。

使用動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)的研究模型可以幫助解決重大生物學(xué)問題，但這些工具只有在遵循正確的地圖時(shí)才有用。

“基因組是有機(jī)體的藍(lán)圖，”該發(fā)表的研究的第一作者、莫格里奇研究所Ron Stewart 計(jì)算小組的計(jì)算生物學(xué)家尤里·布赫曼 (Yury Bukhman)說，莫格里奇研究所是一個(gè)獨(dú)立研究組織，隸屬于威斯康星大學(xué)。麥迪遜在再生生物學(xué)、新陳代謝、病毒學(xué)和生物醫(yī)學(xué)成像等新興領(lǐng)域。“為了操縱細(xì)胞培養(yǎng)物或測(cè)量基因表達(dá)等東西，你需要了解物種的基因組——這使得更多的研究成為可能。”

莫格里奇團(tuán)隊(duì)對(duì)藍(lán)鯨和伊特魯里亞鼩鼱的興趣始于詹姆斯·湯姆森(James Thomson)對(duì)“發(fā)育時(shí)鐘”背后的生物機(jī)制的研究，詹姆斯·湯姆森是莫格里奇再生生物學(xué)名譽(yù)主任，也是華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院細(xì)胞和再生生物學(xué)教授和公共衛(wèi)生。人們普遍認(rèn)為，較大的生物體從受精卵發(fā)育到成熟的成年體比較小的生物需要更長(zhǎng)的時(shí)間，但其原因仍不清楚。

“從這個(gè)角度來看，這對(duì)于基礎(chǔ)生物學(xué)知識(shí)來說很重要。如何建造這么大的動(dòng)物?它如何發(fā)揮作用?” 布赫曼說。

布赫曼認(rèn)為，這些知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用是基于干細(xì)胞的療法的新興領(lǐng)域。為了治愈損傷，干細(xì)胞必須分化成相關(guān)器官或組織的特殊細(xì)胞類型。這個(gè)過程的速度是由一些與發(fā)育時(shí)鐘相同的分子機(jī)制控制的。

不同體型動(dòng)物的基因組可以告訴我們哪些關(guān)于我們自身健康的信息

了解最大和最小哺乳動(dòng)物的基因組也可能有助于解開被稱為皮托悖論的生物醫(yī)學(xué)之謎。這是一個(gè)奇怪的現(xiàn)象，鯨魚和大象等大型哺乳動(dòng)物的壽命更長(zhǎng)，而且患癌癥的可能性更小(通常是由細(xì)胞分裂期間偶爾發(fā)生的 DNA 復(fù)制錯(cuò)誤引起的)，盡管它們擁有更多的細(xì)胞(因此細(xì)胞分裂也更多) )比人類或小鼠等較小的哺乳動(dòng)物更重要。

與此同時(shí)，對(duì)伊特魯里亞鼩鼱基因組的了解將為新陳代謝領(lǐng)域帶來新的見解。鼩鼱的表面積與體積比極高，新陳代謝速度也很快。這些高能量需求是其微小尺寸的產(chǎn)物——不比人類拇指大，重量不到一便士——使其成為更好地理解新陳代謝調(diào)節(jié)的有趣模型。

藍(lán)鯨和伊特魯里亞鼩鼱基因組項(xiàng)目是一項(xiàng)大型合作項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)目涉及來自北美和幾個(gè)歐洲國(guó)家機(jī)構(gòu)的數(shù)十名貢獻(xiàn)者與脊椎動(dòng)物基因組項(xiàng)目的合作。

VGP 的使命是為地球上所有現(xiàn)存脊椎動(dòng)物收集高質(zhì)量的參考基因組。這個(gè)國(guó)際研究人員聯(lián)盟包括基因組組裝和管理領(lǐng)域的頂級(jí)專家。

“VGP 已經(jīng)建立了一套用于生成參考基因組的方法和標(biāo)準(zhǔn)，”Bukhman 說。“準(zhǔn)確性、連續(xù)性和完整性是質(zhì)量的三個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。”

以前的基因組測(cè)序方法使用短讀長(zhǎng)技術(shù)，該技術(shù)產(chǎn)生 150 至 300 個(gè)堿基對(duì)的短 DNA 序列，稱為讀長(zhǎng)。然后重疊的讀段被組裝成更長(zhǎng)的連續(xù)序列，稱為重疊群。

與哺乳動(dòng)物染色體相比，由短讀段組裝而成的重疊群往往相對(duì)較小。因此，從此類重疊群重建的基因組草圖往往非常支離破碎，并且有很多間隙。

相反，該團(tuán)隊(duì)使用長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序，讀長(zhǎng)約為 10,000 個(gè)堿基對(duì)，其主要優(yōu)點(diǎn)是更長(zhǎng)的重疊群和更少的間隙。

“然后你可以使用其他方法，例如光學(xué)映射和 Hi-C，將重疊群組裝成更大的結(jié)構(gòu)，稱為支架，這些結(jié)構(gòu)可以與整個(gè)染色體一樣大，”Bukhman 解釋道。

研究人員還分析了片段重復(fù)，即大范圍的重復(fù)序列，通常包含基因，與其他物種(無論是近親還是遠(yuǎn)親)相比，可以深入了解進(jìn)化過程。

他們發(fā)現(xiàn)，藍(lán)鯨在最近一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了大量的節(jié)段復(fù)制，其復(fù)制數(shù)量比寬吻海豚和小頭鼠海豚(世界上最小的鯨目動(dòng)物，包括鯨魚、海豚和鼠海豚在內(nèi)的哺乳動(dòng)物目)還要多。雖然以這種方式創(chuàng)建的大多數(shù)基因副本可能沒有功能，或者它們的功能仍然未知，但該團(tuán)隊(duì)確實(shí)識(shí)別出了幾個(gè)已知的基因。

其中一種編碼金屬硫蛋白，已知它可以結(jié)合重金屬并隔離其毒性——對(duì)于生活在海洋中積累重金屬的大型動(dòng)物來說，這是一種有用的機(jī)制。

參考基因組如何幫助野生動(dòng)物保護(hù)

參考基因組對(duì)于物種保護(hù)也很有用。20世紀(jì)上半葉，藍(lán)鯨遭到獵殺，幾乎滅絕。現(xiàn)在它受到國(guó)際條約的保護(hù)，人口正在恢復(fù)。

“在世界海洋中，除了北極以外，藍(lán)鯨基本上無處不在。因此，如果你有參考基因組，那么你就可以進(jìn)行比較，并可以更好地了解全球不同地區(qū)不同藍(lán)鯨群體的種群結(jié)構(gòu)，”Bukhman 說。“藍(lán)鯨基因組高度雜合，仍然存在大量遺傳多樣性，這對(duì)保護(hù)具有重要意義。”

這就引出了一個(gè)問題：如何從浩瀚海洋中存在的大型瀕臨滅絕生物中獲取樣本?

加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的研究專家蘇珊娜·邁耶 (Susanne Meyer) 花了一年多的時(shí)間來協(xié)調(diào)許可，她說：“后勤工作帶來了一些挑戰(zhàn)，其中包括在我們地區(qū)看到藍(lán)鯨的情況非常罕見，而且?guī)缀鯚o法預(yù)測(cè)。”采購(gòu)樣品所需的人員和資源。

一旦當(dāng)?shù)氐挠^鯨團(tuán)隊(duì)確定了鯨魚目擊的時(shí)間和坐標(biāo)，他們就聘請(qǐng)了有執(zhí)照的鯨魚研究員杰夫·K·雅各布森(Jeff K. Jacobsen)，使用經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)鯨類皮膚活檢技術(shù)對(duì)鯨魚進(jìn)行活檢，該技術(shù)涉及安裝定制的不銹鋼活檢管到十字弓箭。

該團(tuán)隊(duì)從四頭藍(lán)鯨身上獲取了樣本，邁耶用這些樣本在細(xì)胞培養(yǎng)物中開發(fā)和擴(kuò)增成纖維細(xì)胞，以進(jìn)行基因組測(cè)序和進(jìn)一步的研究用途。

對(duì)于動(dòng)物的基因組而言，大小并不重要

雖然伊特魯里亞鼩鼱基因組沒有像藍(lán)鯨基因組那樣廣泛研究，但研究小組報(bào)告了一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)。

“我們發(fā)現(xiàn)鼩鼱基因組中的片段重復(fù)相對(duì)較少，”布赫曼說，同時(shí)強(qiáng)調(diào)這一結(jié)果并不一定與鼩鼱本身的小型體型相關(guān)。“雖然鼩鼱屬于不同的哺乳動(dòng)物目，但一些類似的小型嚙齒動(dòng)物也有很多節(jié)段重復(fù)，而家鼠在這個(gè)意義上是冠軍，因?yàn)樗鼡碛凶疃嗟墓?jié)段重復(fù)。所以，這不是大小的問題。”

隨著脊椎動(dòng)物基因組計(jì)劃在為所有脊椎動(dòng)物生成更多高質(zhì)量參考基因組方面取得長(zhǎng)足進(jìn)步，布赫曼希望對(duì)這些努力的貢獻(xiàn)將繼續(xù)推動(dòng)未來的生物學(xué)研究。