中韩科学家主导破译小须鲸基因组,揭秘鲸类水生生活奥秘

2013年12月01日

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      2013年11月25日,来自韩国海洋科学技术研究所、深圳华大基因研究院等单位的科研人员成功破译了小须鲸全基因组图谱,并对鲸类独特生理习性的遗传学机制进行了研究分析。据了解,小须鲸全基因组图谱是目前测序深度最高的海洋哺乳动物基因组图谱。最新研究成果已于《自然•遗传学》杂志上在线发表(文章链接:)。

一直以来,人们都痴迷于海洋生物是如何演化为陆生生物。而鲸类的进化却反其道而行之,由陆生向水生演化,与陆生偶蹄动物如牛、猪等拥有一个共同的祖先——一种现已灭绝的类似鹿的半水生哺乳动物Indohyus。在大约5,400万年前,Indohyus进化为两个分支:一支渐渐习惯了水生生活最终进化成今天的鲸,而另一支则坚持陆地生活,成为陆生偶蹄类哺乳动物。鲸类为了全方位地适应深海缺氧、高压强、高盐以及完全水生的生活环境,其生理习性及生态发生了很多改变,但仍保留了部分与陆地哺乳动物相同的生理特征,例如肺呼吸。

在本研究中,科研人员对从一只雄性小须鲸肌肉中提取的DNA进行了高深度全基因组从头(de novo)测序,并同时对三只小须鲸、一只长须鲸,一只宽吻海豚和一只江豚进行了重测序研究。通过比较分析发现,小须鲸、宽吻海豚、猪和牛共有9,848个直系同源基因家族,其中小须鲸的特异基因家族数为494。与非鲸哺乳动物相比,鲸类中有特异突变位点氨基酸的基因总数为4,773,其中695个基因上发现了功能性的氨基酸突变,小须鲸中有特异突变氨基酸的基因数为574。

科研人员对与鲸类独特生理习性相关的基因进行了研究。结果发现,鲸类基因中与抗压相关的基因都得到了正向选择,如过氧化物酶家族(PRDX)。过氧化物酶在清除过氧化物以及新陈代谢相关的氧化还原过程中起着重要作用。进一步研究发现,PRDX1基因在小须鲸、宽吻海豚中发生了不同程度的扩增,另外PRDX1同源基因在长须鲸和江豚中也发生了扩增。PRDX3基因在两类须鲸中都发生了扩增,而PRDX4基因在小须鲸和宽吻海豚中发生了正向选择。

蛋白质O位N-乙酰葡萄糖胺(O-GlcNAc)糖基化作为一种区别于一般糖基化的翻译后修饰,会使蛋白质的功能发生多种改变。近年来研究发现,蛋白质O-GlcNAc糖基化修饰参与糖尿病、阿尔茨海默病与心脏病等多种疾病病理生理过程。而在鲸类中,科研人员认为蛋白质O-GlcNAc糖基化可增强细胞的抗缺氧和渗透压的能力。在本研究中,科研人员对鲸类基因组中编码蛋白质O-GlcNAc转移酶(OGT)的基因进行了研究。发现编码OGT的基因在鲸类中发生了不同程度的扩增,其中宽吻海豚中有11个拷贝,小须鲸中有3个拷贝。

在鲸类的所有生活习性中,最重要的或者说最特别的可能就是深度潜水。深度潜水就意味着缺氧,那么鲸类又是如何解决缺氧这个难题的呢?在缺氧环境下,机体最容易受到活性氧化物的攻击,而谷胱甘肽是机体内活性氧的清道夫。研究者们对鲸类基因组中谷胱甘肽代谢通路中的基因进行了研究,结果发现GPX2ODC1GSRGGT6GGT7GCLC, 和ANPEP等与谷胱甘肽代谢相关的基因都发生了特异性的氨基酸突变。此外,科学家还测定了一只大西洋斑点原海豚(Stenella frontalis)的肾细胞中谷光甘肽和氧化谷胱甘肽中含量,结果发现谷胱甘肽含量较高而氧化谷胱甘肽的含量较低,因此鲸类中可能存在更强的谷胱甘肽代谢能力。

此外,科研人员还发现了一些鲸类为适应深海环境而发生了改变的基因,如编码结合珠蛋白的基因,编码乳酸脱氢酶(LDH)的基因以及参与肾素-血管紧张素-醛固酮系统的基因等。在形态学方面,研究者们发现须鲸中与牙釉质形成和生物矿化相关的基因MMP20 MMP和 AMEL由于存在着提前终止密码子导致这些基因变成了假基因。在鲸类中,与毛发形成相关的角蛋白基因家族发生了显著的收缩,而与水生生活相适应的一些Hox家族在进化的过程中受到了正向选择

对于本研究,华大基因该项目负责人光宣敏指出:“小须鲸全基因组图谱是首个经高深度测序完成的海洋哺乳动物基因组图谱。本研究所得的数据不仅仅对于鲸类这一生物的海洋适应性的研究工作具有重要意义,同时也为将来整个海洋哺乳动物的疾病预防与控制,物种保护等工作提供了宝贵资源。”

来源:长沙凯诺生物科技有限公司

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