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脊椎动物基因测序取得重大成果 或将解码7万物种生命奥秘

脊椎动物基因测序取得重大成果 或将解码7万物种生命奥秘

最近,霍华德休斯医学研究所(HHMI)研究员埃里希•贾维斯(erich jarvis)在《自然》杂志上发表了数十名合著者的论文,称通过一种新的DNA测序技术和组装方法,研究团队获得了脊椎动物基因组项目(VGP)的首个主要成果:25个物种的高质量基因组。

这是生物学科历史上最大胆的科研项目之一。研究的25个物种包括:浅矛鼻蝠、大马蹄蝠、埃及果蝠、大鼠耳蝠、库尔氏长尾蝠、天鹅绒无尾蝠、加拿大猞猁、狨猴、小头鼠海豚、鸭嘴兽、针鼹、斑马雀、新西兰鹦鹉k%u101k%u101p%u14D,
安娜蜂鸟、家鸭、鸸鹋、古德荆棘龟、两栖蚓螈、锯齿鳗、攀鲈、飞丽鱼、东方乐丽鱼、巨鲶鱼、钝吻鱼和刺鳐。这些动物横跨鸟类、哺乳动物、蜥蜴、鱼类等所有主要种类的脊椎动物,为解码现存的大约7万种脊椎动物的完整基因组铺平了道路。

研究合著者、加州大学圣克鲁斯分校的计算遗传学家大卫•豪斯勒(David Haussler)说:“我们将从中看到一幅波澜壮阔的生命画卷,展示大自然是如何用各种神奇的动物来填满整个生态系统的。”

不止于此,该研究项目还取得了一些创新突破,比如在斑马雀的基因组中发现了前所未知的染色体;在狨猴和人类大脑之间发现了一个惊人的基因差异等。这项新的研究也为拯救k%u101k%u101p%u14D鹦鹉、小头鼠海豚等濒临灭绝的珍稀动物提供了思路。

脊椎动物基因组项目酝酿了多年。在此之前,人们从不敢想象给这样庞大规模的物种进行基因测序,因为这需要庞大资金的支持。另外,早期基因测序工作中,基因字母组合中错误百出。早在2003年完成的第一个人类基因组的原始方法中,科学家们将DNA切分成几百个字母片段,然后分析阅读这些字母,再把碎片按正确的顺序组装起来。这是一项极其困难的工作,错误组装、重大漏洞、甚至很难将基因定位到单个染色体上。到了21世纪末,随着技术的不断进步,遗传学家斯蒂芬•奥布莱恩(Stephen
O&aposBrien)和圣地亚哥动物园保护遗传学主任奥利弗•莱德(Oliver Ryder)认为时机成熟,决定启动脊椎动物基因组项目。

2015年,随着贾维斯加入了豪斯勒团队,该项研究“阵容”越来越大,拓展了原有基因组测序规模,建立了新的测序中心,并在全球范围内汇聚了60名顶尖科学家的资助,来共同完成这一项大家感兴趣的工作。

这个庞大的研究团队取得了一系列的技术进步。新的基因测序技术缩短了读取基因数据的时间,降低了测序成本,也提升了基因组组装结构的质量。研究人员还设计了将基因组片段组装成单个染色体的巧妙方法。他们已经能够梳理出哪些基因是从母系或父系一方遗传下来的。这就解决了一个被称为“假复制”的棘手问题,即错误地将同一基因的母系和父系拷贝标记为两个独立的姐妹基因。

研究团队还提升了基因测序的精确度。以斑马雀为例,他们发现了8条新的染色体和大约900个被认为缺失的基因。研究人员深入研究并正确组装了大量重复的DNA,其中大部分只包含四个基因字母中的两个。基因组区域内重复出现相同蛋白质编码,这表明DNA在开启或关闭基因方面起着惊人的关键作用。

随着基因组序列的秘密逐渐被揭开,新发现接踵而来。贾维斯的实验室找到了鹦鹉和鸣禽学习音调所需的关键基因;狨猴基因组中发现了几种让人类致病的氨基酸;一些蝙蝠因失去相关免疫基因,而导致难以抵抗新冠病毒的攻击……

该项研究成果还能推动拯救濒危物种。比如在新西兰岛屿上隔绝上万年而幸存下来的k%u101k%u101p%u14D鹦鹉,因数量稀少而濒临灭绝。在一项对其圈养繁殖计划中,研究人员发现尽管这种鹦鹉基因缺乏遗传多样性,却以某种方式清除了有害的突变。同样的研究发现也出现在小头鼠海豚身上,这种海豚目前地球上仅剩10-20头。

下一步,该研究准备将测序物种扩大到260个,覆盖所有脊椎动物基因组,并力争在10年内解码所有真核生物的基因组。这也许是第一次人类做好准备,来看清地球生命的真正模样。

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