基因研究为动物早期进化提供了新视角
MBARI 研究人员及其合作者今天在《自然》杂志上发表的一项研究提供了关于 7 亿多年前动物进化最早点之一的新见解。
一个多世纪以来，科学家们一直致力于了解古代有机体孕育出当今世界各种动物的关键时刻。随着技术和科学的进步，科学家们研究了两种备选假设，认为海绵或梳状水母，也称为栉水母，与所有其他动物的关系最远。识别这个异常值——被称为兄弟组——长期以来一直困扰着科学家。
在这项新研究中，来自 MBARI、加州大学伯克利分校、加州大学圣克鲁兹分校和维也纳大学的一组研究人员绘制了一组基因，这些基因总是在一条染色体上被发现，存在于人类的一切事物中从仓鼠到螃蟹和珊瑚，提供了明确的证据表明梳状水母是所有其他动物的兄弟姐妹。了解动物之间的关系将有助于塑造我们对动物解剖学的关键特征(例如神经系统或消化道)如何随时间演变的思考。
“我们开发了一种新方法，可以最深入地了解动物生命的起源。我们已经利用遗传学回到大约 10 亿年前的时间，以获得迄今为止最有力的证据来回答有关动物进化最早事件的基本问题，”MBARI 和加州大学圣克鲁斯分校的研究生研究员 Darrin Schultz 说。现为维也纳大学博士后研究员。“这一发现将为科学界开始更好地了解动物和人类的进化方式奠定基础。”
动物中的所有基因都按顺序组织在染色体上。单个基因序列的位置会随时间发生变化，但特定染色体上基因之间联系的变化是罕见的，而且在很大程度上是不可逆的。
到目前为止，科学家们只是通过研究单个基因序列的相似性来回答关于最古老动物关系的长期存在的问题。
舒尔茨和团队检查了特定染色体上基因之间的联系，这些染色体在整个时间里都非常保守。他们确定了存在于各种动物中的模式，并将这些联系映射回动物进化的最早阶段。该团队发现了强有力的证据，表明梳状水母代表了一个独特的谱系，其祖先在所有其他动物的共同祖先之前就已经分化。
该团队将这一事件比作数亿年前发生在进化道路上的基因分叉。一个孤独的单细胞生物，所有动物的祖先，正带着它的两个后代沿着那条路行驶。一个孩子，后来演变成我们今天所知道的梳状水母，选择了一条道路。随着它的进化，其染色体上的基因保持特定的顺序并且没有太大变化。另一个会进化成海绵和我们今天所知的所有其他动物的孩子选择了另一条路。它染色体上的许多基因重新排列并融合在一起。因为这些重排是不可逆的并且代代相传，所以即使在今天也能检测到。通过追踪这些重排，该团队发现了明确的证据表明梳理果冻而不是海绵，
“数亿年后，这一古老进化事件的指纹仍然存在于动物的基因组中，”舒尔茨说。“这项研究有助于加强我们对动物生命遗传学理解的基础。它为我们提供了理解什么使动物成为动物的背景。这项工作将帮助我们了解我们共有的基本功能，例如它们如何感知周围环境、如何进食以及如何移动。”
背景
7亿多年前，不同群体的小生物从生命之树上分裂出来，沿着各自独立的路径进化，成为我们今天所知道的动物。
一个多世纪前，研究人员开始致力于了解动物之间的关系，在这段时间的大部分时间里，他们假设海绵在数亿年前从生命之树分裂出来，使它们成为所有其他动物的兄弟姐妹。
然而，15 年前，研究人员能够使用新的 DNA 测序技术找到第一个证据，证明栉水母，而不是海绵，是所有其他动物的同胞。这项研究激发了科学界的巨大努力，以开发新的方法来确认动物家谱中最古老分支的身份，但明确的答案仍不清楚。
虽然动物群体相隔数亿年进化，但在这些截然不同的群体中，大量基因仍然与相同的染色体相关联。随着时间的推移，每条染色体上的基因序列可能会发生变化，但与染色体的实际联系保持不变，极少数情况除外。研究人员历来比较编码关键蛋白质的基因序列，以推断生物群之间的关系。然而，他们发现这种技术并没有给出关于海绵或栉水母是否是所有其他动物的同胞群的可靠答案。
MBARI 研究人员使用一种新技术在梳状水母和海绵的基因组中寻找新线索。
首先，Schultz 和团队对两种梳状水母和两种海洋海绵以及动物的三种单细胞近亲(一种领鞭毛虫、一种丝状变形虫和一种鱼孢子虫)的每条染色体的全长基因组进行了测序，以便为每个人的基因创建一个更完整、更有条理的图景。
有了完整的染色体序列，MBARI 研究人员寻找连锁基因的模式，以帮助回答海绵或栉水母是否是所有其他动物的最远亲的问题。
由于基因和染色体位置之间的联系变化相对缓慢，这些变化揭示了古代基因组可能是如何排列的。独特、罕见的变化和保守的模式可用于明确统一所有后代谱系。这有助于解决长期存在的关于动物关系的问题。
当他们检查梳状水母的染色体规模基因组时，他们看到了一组与其他动物的模式非常不同的基因。最重要的是，他们发现了栉水母和三种单细胞非动物共有的基因模式，而这些模式在从海绵到麻雀的所有其他动物中都被打乱和混合了。
比较连锁基因的特定模式使研究人员能够构建根深蒂固的动物生命之树，并更好地确定分支从主干分离的顺序。
该团队使用两副牌——一副蓝色和一副黄色——来类比这些基因联系是如何工作的。
每副牌中的蓝色和黄色卡片是分开的，代表不同染色体上的基因。首先，两副牌合并，代表染色体融合事件。然后，进一步洗牌就像在染色体之间交换基因。每次洗牌都会产生越来越小的机会，您可以切掉一副牌，将所有蓝牌放在一半，将所有黄牌放在另一半。同样，按照整个动物生命之树的基因模式，祖先生物的基因连锁在树最远的分支中偶然复制的可能性越来越小。
这项研究的资金由 David 和 Lucile Packard 基金会、MBARI、国家科学基金会(GRFP DGE 1339067 和 DEB-1542679)、欧洲研究委员会的地平线 2020：欧盟研究与创新计划(赠款号 945026)提供，冲绳科学技术研究所分子遗传学部、Chan Zuckerberg Biohub 网络和 Marthella Foskett Brown 生物科学的内部基金。
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