研究人員使用241種物種的基因組重新定義哺乳動物的生命樹

由德克薩斯A&M獸醫(yī)和生物醫(yī)學科學學院的一組科學家領導的研究結束了關于哺乳動物多樣化歷史的激烈科學辯論，因為它與非鳥類恐龍的滅絕有關。他們的工作為過去100億年哺乳動物的進化時間表提供了明確的答案。

這項研究發(fā)表在《科學》雜志上，是Zoonomia Project發(fā)布的一系列文章的一部分，Zoonomia Project是一個由來自世界各地的科學家組成的聯(lián)盟，正在使用歷史上最大的哺乳動物基因組數(shù)據(jù)集來確定人類基因組的進化歷史在哺乳動物進化史的背景下。他們的最終目標是更好地確定人類和其他物種的特征和疾病的遺傳基礎。

德克薩斯A&M大學的研究 - 由獸醫(yī)綜合生物科學系教授William J. Murphy博士和墨菲實驗室的副研究科學家Nicole Foley博士領導 - 植根于系統(tǒng)發(fā)育，這是生物學的一個分支，處理生物和滅絕生物的進化關系和多樣化。

“核心論點是關于胎盤哺乳動物(在胎盤內發(fā)育的哺乳動物)是在白堊紀 - 古近紀(或K-Pg)滅絕事件之前還是之后分化，該事件消滅了非鳥類恐龍，”弗利分享道。“通過進行新型分析，只有由于Zoonomia的巨大范圍才有可能，我們回答了哺乳動物在何時何地與K-Pg大滅絕有關的多樣化和進化的問題。

這項研究是與加州大學戴維斯分校的合作者進行的;加州大學河濱分校;美國自然歷史博物館得出結論，哺乳動物在K-Pg滅絕之前開始多樣化，這是大陸漂移的結果，導致地球的陸地在數(shù)百萬年內漂移并重新聚集在一起。另一個多樣化的脈沖發(fā)生在恐龍的K-Pg滅絕之后，當時哺乳動物有更多的空間，資源和穩(wěn)定性。

這種加速的多樣化速度導致了今天共享地球的哺乳動物譜系的豐富多樣性 - 如食肉動物，靈長類動物和有蹄動物。

墨菲和弗利的研究由美國國家科學基金會資助，是由博德研究所的Elinor Karlsson和Kerstin Lindblad-Toh領導的Zoonomia項目的一部分，該項目還比較哺乳動物基因組以了解顯著表型的基礎 - 某些基因的表達，如棕色與藍色眼睛 - 以及疾病的起源。

弗利指出，胎盤哺乳動物的多樣性既體現(xiàn)在它們的身體特征上，也表現(xiàn)在它們非凡的能力上。

“今天的哺乳動物代表了巨大的進化多樣性——從小大黃蜂蝙蝠的呼嘯飛行到巨大的藍鯨在地球浩瀚的海洋中游泳時的懶洋滑翔。多種物種已經(jīng)進化為回聲定位，一些產(chǎn)生毒液，而另一些則進化出抗癌性和病毒耐受性，“她說。

“能夠在遺傳水平上觀察哺乳動物物種之間的共同差異和相似之處可以幫助我們找出基因組中對調節(jié)基因表達至關重要的部分，”她繼續(xù)說道。“在不同物種中調整這種基因組機制導致了我們在當今現(xiàn)存哺乳動物中看到的特征多樣性。

墨菲分享說，F(xiàn)oley解決的哺乳動物系統(tǒng)發(fā)育對于Zoonomia項目的目標至關重要，該項目旨在利用比較基因組學的力量作為人類醫(yī)學和生物多樣性保護的工具。

“Zoonomia項目非常有影響力，因為它是第一次一次對齊241個不同的哺乳動物基因組并利用這些信息更好地了解人類基因組的分析，”他解釋說。“將這個大數(shù)據(jù)集放在一起的主要動力是能夠將所有這些基因組與人類基因組進行比較，然后確定人類基因組的哪些部分在哺乳動物進化史上發(fā)生了變化。

確定基因的哪些部分可以縱，哪些部分不能在不對基因功能造成傷害的情況下改變，這對人類醫(yī)學很重要。最近由墨菲和弗利的同事之一，德克薩斯A&M遺傳學家Scott Dindot博士領導的科學轉化醫(yī)學研究使用比較基因組學方法開發(fā)了一種針對Angelman綜合征的分子療法，這是一種毀滅性的，罕見的神經(jīng)遺傳疾病，由大腦中母體UBE3A基因的功能喪失引發(fā)。

Dindot的團隊利用了Zoonomia Project確定的相同的進化約束措施，并應用它們來確定一個關鍵但以前未知的遺傳靶點，可用于挽救人類神經(jīng)元中UBE3A的表達。

墨菲說，通過使用歷史上最大的數(shù)據(jù)集來擴展比較哺乳動物基因組的能力將有助于為其他物種植根于遺傳學的疾病開發(fā)更多的治療方法，包括貓和狗。

“例如，貓的生理適應植根于獨特的突變，使它們能夠食用對人類極其不健康的高脂肪，高蛋白飲食，”墨菲解釋說。“Zoonomia的241個物種排列的一個美麗方面是，我們可以選擇任何物種(不僅僅是人類)作為參考，并確定該物種基因組的哪些部分可以自由改變，哪些部分不能容忍變化。例如，就貓而言，我們可能能夠幫助識別這些物種的遺傳適應性，這些適應可能導致人類心血管疾病的治療靶點。

墨菲和弗利的系統(tǒng)發(fā)育在隨后的許多論文中也發(fā)揮了重要作用。

“這是涓滴基因組學，”弗利解釋說。“對我來說，作為更廣泛項目的一部分，最令人欣慰的事情之一是看到有多少不同的研究項目通過在他們的分析中納入我們的系統(tǒng)發(fā)育而得到增強。這包括對瀕危物種的保護基因組學的研究，以及那些研究不同復雜人類特征進化的研究。

Foley說，明確回答關于哺乳動物起源時間的激烈爭論的問題，并產(chǎn)生一個擴展的系統(tǒng)發(fā)育，為未來幾代研究人員奠定基礎，這既有意義又有意義。

“展望未來，這種大規(guī)模的基因組比對及其哺乳動物基因組進化的歷史記錄將成為每個人在哺乳動物中提出比較問題時要做的一切的基礎，”她說。“那真是太酷了。”

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