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Cell:調控基因組,進化的推手

日期:2016-06-24 08:47:53

 來自西班牙進化生物學研究所(CSIC-UPF)的一個研究小組,破譯了對包括人類在內的動物進化成功負責的遺傳機制,證實相比于差異,我們與變形蟲“Capsaspora owczarzaki”之間共享了更多的遺傳調控機制。

 

動物是如何從它們的單細胞祖先進化而來的,哪些特殊的機制參與了復雜的身體圖式發(fā)育,是一個未解的進化謎題。在UPF-CSIC研究人員的領導下,研究小組現(xiàn)在破解了對動物巨大的進化成功負責的遺傳機制。發(fā)表在近期《細胞》(Cell)雜志上的研究結果指出了存在于整個動物王國中,但單細胞祖先卻沒有的這些機制。

 

根據(jù)這項研究,使得一些動物不同于它們單細胞親戚的巨大創(chuàng)新并非新基因的出現(xiàn),而是遠端的基因調控。也就是說, DNA有能力調控彼此分離的一些基因,并確定這樣做的確切時間。定位在其他染色體中,或與特定基因分開的DNA序列仍然能夠激活或抑制這一基因。

 

進化生物學研究所ICREA研究教授Iñaki Ruiz-Trillo說:“能夠以更特異的方式控制更多的基因使得一些動物顯著提高了它們的形態(tài)學復雜性,達到生成具有數(shù)十億細胞的生物體的程度,哺乳動物就是這種情況。”

 

研究人員比較了一些動物與親緣關系最近的一個動物親戚,從波多黎各蝸牛血淋巴中分離出的變形蟲Capsaspora owczarzaki之間的遺傳與表觀遺傳調控機制。根據(jù)Ruiz-Trillo和同事們所說,共同調控機制的數(shù)量高于差異的數(shù)量。例如,動物與C. owczarzaki共享了一些基因組成的網(wǎng)絡,這些基因對于動物發(fā)育至關重要,例如Brachyury參與了胚胎發(fā)育,或癌基因Myc參與了增殖。

 

同樣,C. owczarzaki有著復雜的生命周期,從單細胞到幾十個細胞清晰的階段轉變。在這種情況下,這一變形蟲利用了一些表觀遺傳機制,如非編碼RNAs或組蛋白標記調控了不同細胞階段之間的轉變。“C. owczarzaki應用這些基因調控機制控制了沿著它的生命周期不同細胞階段之間的轉變,而動物利用它們來使細胞定向分化,換句話說,發(fā)育為神經(jīng)元或肌肉細胞,”Ruiz-Trillo說。

 

多細胞生物

 

起源于大約10億年前的多細胞,最大的利益之一就是允許增加了身體的大小,占據(jù)新的棲息地,及劃分不同細胞類型的功能。根據(jù)這項新研究的結果,動物的起源因此并非是進化創(chuàng)新而是一個進化(或遺傳)回收過程的概略,這提高了我們基因組的復雜性,使得能夠在復雜的多細胞生物中更精確地調控不同的細胞類型。

 

進化生物學研究所研究人員Arnau Sebé-Pedrós說:“最后,可以預測,有更多的單細胞生物體有著復雜的生命周期,有可能具有一直未被發(fā)現(xiàn)的社會行為和多細胞階段。”根據(jù)研究人員所說,下一階段是分離出C. owczarzaki的單個細胞,詳細分析它們以確定是否所有細胞都是同樣的,或是否它們之間已存在某些特化。

 

從單細胞生物到多細胞生物的過渡,是地球上生命進化的關鍵進步;在不同的系統(tǒng)發(fā)育譜系中,這種改變已經(jīng)獨立地發(fā)生了多次。了解“有多少基因以及有哪些基因,對單細胞祖先成為多細胞來說是必要的”,是一個有趣的問題,但是僅僅通過檢測目前多細胞生物的基因組序列很難進行回答。為了簡化這些基因組分析,美國亞利桑那大學Erik Hanschen和薩斯州州立大學Bradley Olson為首的研究小組,比較了團藻目三種綠藻的基因組序列,以查明多細胞生物進化背后的基因變化。他們將研究結果發(fā)表在2016年的《Nature Communications》上。

 

經(jīng)過將近5000億次的嘗試,美國德克薩斯大學(UT)奧斯汀分校的研究人員,見證了一個罕見的事件,也許解決了一個進化的難題:內含子——位于基因中的非編碼DNA序列,在基因組中是如何增加的。研究結果發(fā)表在《PNAS》雜志上,解決了關于新物種進化的基本問題,并可以增進我們對于“基因表達以及癌癥等疾病的原因”的理解。

 

大自然是不斷進化的——其極限僅取決于威脅物種生存能力的變異。研究遺傳密碼的起源和發(fā)展,對于解釋生命的進化非常重要。在《Science Advances》發(fā)表的一項研究中,專門從事這一領域的一組生物學家,解釋了遺傳密碼進一步發(fā)展的一個限制,我們知道,遺傳密碼是一套通用的規(guī)則,地球上所有生物都用其,將核酸(DNARNA)基因序列翻譯成氨基酸序列,組成蛋白質,執(zhí)行細胞功能。

 


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