解码的海胆基因组显示出与人类的令人惊讶的关系

由位于休斯敦的贝勒医学院人类基因组测序中心(BCM-HGSC)领导的海胆基因组测序项目(SUGSP)联盟今天宣布,海胆基因(Strongylocentrotus purpuratus)的基因组序列的解码和分析。

对一个雄性加利福尼亚紫海胆的基因组进行了测序,它包含超过8.14亿个字母,拼出了23,300个基因。来自11个国家/地区的70多个机构的240位科学家组成的国际财团审查了近10,000个基因。高品质“draft”序列覆盖了超过90%的基因组。主要结果发表在11月10日的《科学》杂志上,41本伴随手稿描述了进一步的详细分析,包含在《科学》杂志中,并于12月1日出版了特刊《发育生物学》。

BCM-HGSC生成了SUGSP的序列数据,然后组装了基因组并领导了分析联盟。该项目的其他资源包括在加利福尼亚理工学院制备的BAC库(具有很大DNA片段的克隆)和在温哥华不列颠哥伦比亚癌症机构的迈克尔·史密斯基因组科学中心制备的物理图谱。

该项目由Drs。Dr.领导。 BCM-HGSC的丈夫和妻子团队的Erica Sodergren和George Weinstock以及BCM-HGSC的主任Richard Gibbs博士和Dr.加州理工学院的Eric Davidson和Andrew Cameron。美国国立卫生研究院的国家人类基因组研究所为SUGSP提供了大部分资金。

海胆是棘皮动物(棘突皮肤的希腊语),是起源于5.4亿年前的海洋动物,包括海星,脆性恒星,海百合和海参。在2.5亿年前动物大灭绝之后,现代海胆成为主要的棘皮动物。紫色海胆是在15-20百万年前迅速发生的物种分化和多样化的情况下在北太平洋出现的。

海胆作为基因组测序的靶标引起了极大的兴趣,因为这些动物与人类有着共同的祖先。那个祖先生活在5.4亿年前,并产生了氘核动物,氘的动物,包括棘皮动物和脊索动物门等动物的上门,人类和其他脊椎动物所属的门。所有氘核动物之间的亲密关系远比未包含在氘核动物中的其他动物更为紧密。例如,在测序的基因组中,果蝇和蠕虫的基因组比人类基因组与海胆基因组的距离更远。

“我们测序的每个基因组都会带来新的惊喜。该分析表明,海胆与人类共享的基因和生物途径比以前怀疑的要多得多,”美国国立卫生研究院国家人类基因组研究所所长弗朗西斯·科林斯博士说。“将海胆的基因组与人类和其他模型生物的基因组进行比较,将为科学家提供有关我们自身基因组的结构和功能的新颖见解,从而加深我们对人体在健康和疾病中的了解。”

为了发现海胆与人类之间的差异,并通过与远古亲戚的血统联系,人们对其基因组进行了比较。海胆是无脊椎动物,是氘核以外的氘核基因组基因的第一个例子。尽管已对一种无脊椎动物的基因组(即海鞘)进行了测序,但大多数先前被测序的无脊椎动物基因组(例如昆虫和线虫)都是在超氘氘菌之外的动物。海胆在进化上位于氘代口琴的绒毛状分支和非氘代超口琴之间的一个较大的生态位中。

“海胆填补了测序基因组的巨大进化空白,”BCM-HGSC联合主任George Weinstock博士说。“它使我们看到了引起人类和昆虫的祖先分裂后进化的过程。海胆基因组提供了许多意想不到的奖励,是测序的绝佳选择。”

海胆的基因与人类基因列表的比较表明,哪些人类基因很可能是人类进化中的最新创新,哪些是古老的。它还显示了哪些人类基因在祖传氘代动物的谱系中变化缓慢,并且哪些基因响应自然选择而迅速进化。这将使有一天有可能了解每个人类基因的历史-并描绘出从蠕虫到人类的灭绝祖先导致动物生活的样子。

尽管无脊椎动物海胆的形态与人类和其他脊椎动物完全不同,但它们的胚胎发育却显示出基本的相似之处,这是氘核动物的重要共同特征。这使它们与具有不同胚胎发育模式的原生动物区分开来。

这使得海胆具有许多有用的特性,例如易于分离卵子,精子和透明的胚胎,是研究发育过程并帮助理解人类发育的有价值的模型。动物的发育是通过复杂的基因网络发生的,海胆是系统生物学的主要模型之一,它描述了动物的构建模块如何在时间和空间上相互作用。

海胆提供了快速有效的基因转移系统。通过将DNA注入卵中,研究人员可以确定哪些字母拼写了打开和关闭基因的指令。在海胆受精后导致基因表达有序级联的一系列遗传开关是动物模型中最能理解的发育系统之一。现在,有了手中的基因组序列,就知道了更完整的发育成分,并且可以详尽地研究这一过程。

“30多年前,罗伊·布里顿(Roy Britten)和埃里克·戴维森(Eric Davidson)提供了有关高等生物中基因调控的综合理论,而海胆已经成为检验这些预测的主要模型,” said Gibbs. “现在,完整的序列可用于进一步的研究。”

由于其进化位置,海胆基因组序列是未知生物学领域的样本。一些值得注意的发现是:

1.)海胆拥有人类中发现的大多数相同基因家族,即用来在此超级动物中创建动物的氘化动物工具包。然而,人类中基因家族的大小通常更大,这部分反映了海胆和人类进化系分离后脊椎动物进化过程中的两个全基因组复制事件。

2.)这个大小规则的一个意想不到的例外是免疫系统。人类具有先天和后天的免疫系统。海胆具有获得性免疫系统的某些基因,但其固有的免疫分支大大扩展,其基因数量是人类的10至20倍。

先天免疫力是指“hard wired”来检测细菌的独特分子,例如其细胞壁,并发出入侵信号。丰富的海胆蛋白库可为抗击传染病提供新的试剂。

3.)海胆中有人类参与视觉和听觉的感觉蛋白基因。然而,至少根据我们所知,海胆没有眼睛和耳朵。一些视觉感觉蛋白定位在被称为管脚的附肢上,并可能在其中的感觉过程中起作用。值得注意的是,在海胆和人类中,具有相同结构的器官使用了相同的感觉蛋白。

“海胆让我们想起了地球上所有生命的根本统一性,”该项目的联合负责人Sodergren指出。“它是一组相似的基因和蛋白质,它们在生命周期中以不同的方式,不同的数量和在不同的时间重复使用,从而创造出多种多样的生物形式。”

迄今为止,海胆基因组是BCM-HGSC最具挑战性的基因组之一。基因组是高度多态的,这意味着二倍体生物体中基因组的两个副本彼此相差约4%,或者每25个字母的拼写差异一个。在组装由DNA测序产生的900万个单独的短序列时,这提出了巨大的挑战。

使用了一种新方法,强调使用BAC克隆作为框架。每个BAC克隆仅代表基因组拼写的一个版本,因此提供了在其上构建基因组的一致序列。为了对覆盖基因组的8,000个BAC克隆进行测序,使用了另一种新技术。 CAPSS(克隆阵列合并shot弹枪测序)过程可对BAC克隆的混合物而不是单个克隆进行测序,然后将序列混合物的一部分分配给适当的克隆。这样可以将基因组的成本和时间减少一个数量级。因此,SUGSP是全基因组测序创新的试验床。

海胆项目是BCM-HGSC进行的20多个动物基因组之一,包括人类和灵长类动物(如恒河猴),其他哺乳动物(如牛和鼠),昆虫(如蜜蜂,甲虫和黄蜂),以及最近的海豚。另外,已经对许多微生物进行了测序,重点是传染病。 BCM-HGSC的其他项目正在研究人类疾病的遗传基础,这将是未来工作的重点。

贝勒医学院



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