Nature：解码世界上最大的动物基因组

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我们来到了距今约 4.2 亿至 3.6 亿年前的泥盆纪。在靠近水边的一个浅水区，发生了一件将永远改变我们星球上生命的事情：一种叶鳍鱼类的鱼类用一对有力的胸鳍把自己从浅水中拉到陆地上，在海岸线的泥泞表面移动身体。这种鱼并不急于返回水中。它可以轻松地呼吸空气，因为这条鱼已经有了肺，就像我们陆地脊椎动物现在仍然有的肺一样。nso 系统以及整个 PacBio 测序技术的下一步计划是什么？

这个场景或类似场景可能是脊椎动物第一次在陆地上移动，是进化史上最重要的事件之一。因为后来所有的陆地脊椎动物，或者说四足动物，都可以追溯到鱼类。这不仅包括两栖动物、爬行动物和鸟类，还包括哺乳动物--包括人类。然而，一个谜团依然存在： 为什么这种叶鳍鱼类为征服陆地做了如此充分的准备？

看看它的近亲

为了在这么长时间之后找到这个问题的答案，现在对我们泥盆纪祖先最近的现存亲属的遗传物质进行了分析，从而有可能得出关于其外观的结论。这些最近的亲戚，肺鱼，只有三个谱系，今天仍然活着：一个在非洲，一个在南美洲，一个在澳大利亚。似乎进化已经忘记了它们，因为这些古老的“活化石”看起来仍然很像它们的祖先。由于我们的遗传物质DNA是由核碱基组成的，而这些核碱基的序列包含了实际的遗传信息，因此只有了解它们的完整序列，才能对肺鱼基因组进行比较分析。

我们已经知道肺鱼的基因组是巨大的，但它们到底有多大，以及我们能从它们身上学到什么，直到现在才清楚。因此，从技术和生物信息学的角度来看，肺鱼基因组的测序是非常劳动密集型和复杂的。然而，由康斯坦茨生物学家Axel Meyer和维尔茨堡生物化学家Manfred Schartl领导的一个国际研究小组现在已经成功地对南美肺鱼和非洲血统成员的基因组进行了全面测序。此前最大的澳大利亚肺鱼(新角龙)基因组序列已经由同一个团队测序。

他们的最新研究结果发表在《自然》杂志上。

非常非常大，但是为什么呢?

南美肺鱼的遗传物质尤其打破了所有记录:“拥有超过90千兆碱基(换句话说，900亿个碱基)，其DNA是所有动物基因组中最大的，是之前记录保持者澳大利亚肺鱼基因组的两倍多。南美肺鱼的19条染色体中有18条比整个人类基因组都大，拥有近30亿个碱基，”迈耶说。自主转座子是肺鱼基因组随着时间膨胀到如此巨大规模的原因。这些DNA序列会“复制”，然后改变它们在基因组中的位置，从而导致基因组生长。

虽然这种情况也发生在其他生物体中，但研究小组的分析表明，南美肺鱼的基因组扩张速度是迄今为止有记录以来最快的:过去每1000万年，它的基因组就会增长整个人类基因组的大小。

“而且还在继续增长，我们已经发现证据表明，致病的转座子仍然活跃。”研究人员确定了这种巨大的基因组增长的机制:这种极端扩张至少部分是由于非常低的piRNA丰度。这种类型的RNA是通常使转座子沉默的分子机制的一部分。

由于转座子在基因组中复制和跳跃，从而促进了基因组的生长，它们可以极大地改变和破坏生物体的遗传物质。这并不总是有害的，它甚至可以成为进化的重要驱动力，因为这些“跳跃基因”有时也会通过改变基因功能导致进化创新。更令人惊讶的是，目前的研究发现大量转座子过剩和基因组不稳定之间没有关联——肺鱼的基因组出人意料地稳定，基因排列出人意料地保守。这一事实使研究小组能够从今天仍然存活的肺鱼物种的序列中重建祖先四足动物的一组染色体(核型)的原始结构。

此外，对肺鱼基因组的比较使他们能够得出关于今天仍然存在的谱系之间差异的遗传基础的结论。例如，澳大利亚肺鱼仍然有四肢状的鳍，这曾经使它的亲戚能够在陆地上移动。在今天来自非洲和南美洲的其他肺鱼物种中，这些鳍在骨骼结构上与我们的手臂相似，在过去的1亿年左右进化回丝状鳍。Meyer说:“在我们的研究中，我们还使用CRISPR-Cas转基因小鼠进行实验，以表明鳍的这种简化可归因于所谓的sh信号通路的变化。”

例如，在小鼠的胚胎发育过程中，shh信号通路控制着手指的数量和发育。因此，研究结果为硬骨鱼的鳍和陆地脊椎动物的手指之间的进化联系提供了额外的证据。由于这项新研究，科学家们现在拥有了所有当前肺鱼家族的完整基因组序列，更多的基因组比较研究将为未来陆地脊椎动物的叶鳍祖先提供进一步的见解，并有助于解开脊椎动物如何登上陆地的谜团。