南美洲的一種肺魚(yú)是迄今發(fā)現(xiàn)的擁有最大基因組的動(dòng)物。近日,一項(xiàng)發(fā)表于《自然》的研究顯示,這種肺魚(yú)的基因組包含了910億個(gè)堿基,是人類基因組的30倍。
通過(guò)將美洲肺魚(yú)基因組與其他肺魚(yú)基因組進(jìn)行比較,研究人員確定,美洲肺魚(yú)每1000萬(wàn)年向其DNA中添加相當(dāng)于一個(gè)人類基因組的基因。
肺魚(yú)被稱為“活化石”,是一種呼吸空氣的總鰭魚(yú)類。此外,它被認(rèn)為與所有脊椎動(dòng)物最古老的共同祖先最為相似。自2018年以來(lái),德國(guó)維爾茨堡大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家Axel Meyer、Manfred Schartl和同事一直致力于破譯三大洲的肺魚(yú)基因組,以更好地了解脊椎動(dòng)物的進(jìn)化。
他們首先對(duì)澳大利亞肺魚(yú)的鰭骨進(jìn)行了測(cè)序。這些鰭骨與人類和其他陸地動(dòng)物的四肢相似。然后,他們轉(zhuǎn)向非洲肺魚(yú),其鰭骨已大大減少。現(xiàn)在,他們又研究了美洲肺魚(yú),它的鰭變小了,而基因組是澳大利亞和非洲同類的兩倍。
這個(gè)龐大的基因組中包含了生物體的基因,用4種不同化學(xué)“字母”,即核苷酸或堿基編寫(xiě)的蛋白質(zhì)指令,以及有用的RNA編碼。但絕大多數(shù)的美洲肺魚(yú)基因組是由其他東西組成的——被稱為轉(zhuǎn)座因子的重復(fù)片段,它們可以自我復(fù)制,并將這些副本插入DNA中。
肺魚(yú)基因組是如何被重復(fù)DNA弄得如此混亂的?研究人員將其與其他脊椎動(dòng)物基因組進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn),它的生長(zhǎng)不受控制,因?yàn)槟厦乐藓头侵薜姆昔~(yú)失去了一些關(guān)鍵基因,而正是這些基因的RNA和蛋白質(zhì)產(chǎn)物能夠抑制轉(zhuǎn)座因子。
“這對(duì)動(dòng)物來(lái)說(shuō)一定付出了巨大的代價(jià)?!盡eyer說(shuō)。這種肺魚(yú)的19條染色體中,除了一條外,其余的每條染色體大小都和整個(gè)人類基因組一樣大。所以復(fù)制這些DNA需要很多能量,包裹它的細(xì)胞核和細(xì)胞也更大。
Garcia表示,更大的基因組有時(shí)可以幫助生物體適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。當(dāng)轉(zhuǎn)座因子進(jìn)入或接近一個(gè)基因時(shí),它們可以改變?cè)摶虻幕钚裕@在適當(dāng)?shù)臈l件下可能是有益的。這些變異的DNA基因甚至可以完全成為新基因的“飼料”。
然而,如果無(wú)法調(diào)節(jié)那些確保生物體生存能力的基因,它也可能成為“達(dá)摩克利斯之劍”。因此,目前尚不清楚為什么美洲肺魚(yú)沒(méi)有進(jìn)化出控制這些所謂“跳躍基因”傳播的新方法。Meyer說(shuō):“它們是被進(jìn)化遺忘的魚(yú)。”
美洲肺魚(yú)的基因組并不是所有生物中最大的。這個(gè)頭銜最近被授予了太平洋新喀里多尼亞島上一種擁有1600億個(gè)堿基的蕨。奧地利因斯布魯克大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家Claus Peter Stelzer則希望對(duì)石花肺魚(yú)基因組進(jìn)行測(cè)序,和美洲肺魚(yú)一決勝負(fù)。