古代染色體數字化重建揭示哺乳動物進化

猩猩的染色體與祖先最接近。圖片來源：USO/iStockphoto

人類有46條染色體，狗有78條，而一種位於南美洲的被稱為紅兔鼠的小型嚙齒類動物，擁有驚人的104條染色體。數十年來，遺傳學家們一直對染色體在哺乳類動物之間展現出的多樣性感到驚訝，現在他們有可能弄清楚這些差異是如何發生的。

目前，一項針對所有胎盤類哺乳動物祖先的染色體數字重組研究，揭示了這些緊湊的DNA與蛋白質結構，隨著時間的推移已經變得混亂，這個發現也許會幫助精確地定位人類基因組中可能發生問題的位置，而其中的某些問題是構成癌症與其他疾病的基礎。

未參與這項研究的澳大利亞堪培拉大學遺傳學者Janine Deakin說：「這項研究能幫助我們弄清染色體是如何隨著時間的推移而改變的，這種改變操控著染色體的重組過程，而染色體的重組可能引起新物種的形成。這是一項十分有意義的研究。」

哺乳動物共分為3類：產卵的單孔目動物，比如鴨嘴獸；有袋目的哺乳動物，比如袋鼠和負鼠；有胎盤的或真獸亞綱類哺乳動物，這個大類中包含人類以及其他大約4400種哺乳動物物種。最後一大類在哺乳動物中占較大比例，約1.5億年前，該類型的早期成員體型約與現代老鼠相當，生活在樹上，以昆蟲為食。

為了理解胎盤類哺乳動物的染色體是如何隨著時間推移發生改變的，研究人員需要弄清早期真獸亞綱類是如何演化而來的。而這就需要把一些複雜的拼圖重新拼合在一起。

為了弄清真相，美國加利福尼亞州大學戴維斯分校的進化遺傳學家Harris Lewin及其同事和合作者，對真獸亞綱動物家族樹上不同年代的19種各類哺乳動物的基因組進行了比對，其中也包括少許靈長目在內。但這些基因組通常並不會揭示動物的DNA是如何分配給染色體的，它們只是給出DNA的序列。

於是，該團隊成員、韓國建國大學的Jaebum Kim和同事編製了一個複雜的計算機程序，該程序能基於研究涉及的19個物種中現存於世的部分染色體，重建原始真獸亞綱動物的染色體。目前，研究人員已經找出了21對真獸亞綱類祖先的染色體，並將這一發現刊登於美國《國家科學院院刊》上。

結果顯示，儘管過去了1.5億年，這些染色體中還是有小部分得以完整保存，而且，其上的基因排列沒有發生變化，至少在猩猩和人類的細胞中是這樣的。Deakin說：「我發現一些祖先的染色體的穩定性是非常顯著的。」

但Kim和Lewin以及同事發現更多染色體已經被打斷，並在染色體之間或染色體內部交換了位置。未參與該研究的俄羅斯聖彼得堡國立大學遺傳學家Stephen OBrien說：「這些變化是2.2萬個脊椎動物基因包裝順序改變的足跡。」

目前，科學家總共發現了162個斷點——染色體的斷開導致其間的DNA散落並能夠圍繞斷點自由移動。他們還發現，染色體的不規則性會隨著時間的推移在哺乳動物的種群間不斷改變。Lewin說：「令人驚訝的是這些染色體如何在不同譜系中差異地進化，這就是染色體階梯式變化引領新物種進化的最精彩例證之一。」

這項新研究表明，哺乳動物在早期就開始進化了，染色體斷裂的速率是穩定的，並且相對較低，1000萬年中大約有8條出現斷裂。但是在6500萬年前，在靈長目動物中，除了猩猩，該速率跳升至平均每1000萬年就有20條染色體斷裂。

Kim團隊表示，正因如此猩猩的染色體看起來與古代祖先的最為相似，並且其中有8條染色體是完整且並未發生改變的。而類似這樣「原裝」的染色體人類有5條，老鼠僅有1條。

研究人員同樣揭示了靈長目動物體內得以完整保存的20號遠古染色體，但在山羊和奶牛體內，該染色體卻因為內部重組而發生了巨大變化。老鼠的情況也是如此，與早期真獸亞綱類哺乳動物相比，它們的染色體鏈條也已經非常不同了。但原因卻不同：它們染色體的交換改變並不是在一個給定的染色體內進行，而是在染色體之間完成的，即並非內部重組。

Lewin表示，該研究仍在繼續，並且是博德研究所測序150多個哺乳動物項目的一部分。利用這些基因組，以及有袋目和單孔目哺乳動物的基因，研究人員計劃弄清生活於1.85億年前的首個哺乳動物的古基因組。「我期待看到這些分析的擴展，包括對所有哺乳動物的詳細研究。」Deakin說。

同時，染色體斷裂將有助於指導研究人員理解疾病的產生。「有很多醫學綜合征涉及染色體重組。而且，還有很多可能未被發現。」O』Brien表示。

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