“活化石”获得其基因组测序


腔棘鱼不是什么都不叫做“活化石”。这条2米长,90公斤的鱼被认为在7000万年前灭绝了,直到1938年渔民抓到一只鱼,这只动物看起来很像它的化石祖先,可追溯到3亿年前。现在,对腔棘鱼的基因组进行的第一次分析揭示了为什么这些鱼在很长一段时间内可能变化很小。这也可能有助于解释很久以前像它这样的鱼是如何进入陆地的。

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“我对这篇论文感到非常兴奋,因为腔棘鱼是我们真正想要了解更多的动物,”瑞典乌普萨拉大学的古生物学家Per Ahlberg说,他没有参与这项研究。

为了序列腔棘鱼( Latimeria chalumnae )基因组,科学家们需要新鲜的组织和血液。这不是一件容易的事:这些鱼居住在深海洞穴中,并且非常罕见。在撒哈拉以南非洲和印度尼西亚的东海岸外,过去75年中只有309人被发现。此外,由于压力和温度的变化,捕获的腔棘鱼立即死亡,在炎热的热带太阳下,它们的DNA迅速降解。

南非格拉罕镇罗德斯大学的细胞生物学家罗斯玛丽·多林顿是腔棘鱼基因组研究小组的91名成员之一,他们在南非海岸附近的科摩罗群岛展示了渔民如何收集腔棘鱼组织以防万一他们再次意外地发现珊瑚虫组织。她分发了包括解剖刀和玻璃瓶在内的药盒,以保存遗传物质几天,直到它可以运到实验室并冷藏。

Dorrington帮助说服渔民,他们的基因组计划值得他们付出努力。 “对于这些渔民来说,化石和进化没有意义,”她说,“但他们明白这个生物让这个世界变得更加富有。”她的努力得到了回报:2003年,渔民为该项目收集了样本。基因组测序直到2011年才开始,然而,研究小组拥有资金和技术力量来做到这一点。

马萨诸塞州剑桥市布罗德研究所对腔棘鱼的基因组进行了约6个月的测序,并对数据进行了一年的分析。主要作者西雅图华盛顿大学进化生物学家Chris Amemiya和他的同事们研究了编码几百种蛋白质的基因。然后他们计算自从动物家系树上其他脊椎动物分叉的腔棘鱼以来在基因中发生的估计变化的数量。最后,他们将这些数据与各种哺乳动物,蜥蜴,鸟类和鱼的相应遗传变化率进行了比较。

Amemiya说,腔棘鱼基因的变化速度“明显”慢于其他动物。蜥蜴和哺乳动物的基因进化速度至少是腔棘鱼的两倍,该团队今天在线发表了自然。这可以解释,Amemiya说,为什么鱼在3亿年内变化很小。

腔棘鱼基因组也为探索鱼类首次适应陆地生活提供了机会。已经灭绝的鱼的化石与成对的,矮胖的或“浅裂”的鱼鳍表明它们的鱼鳍在几百年前爬到陆地上的祖先脊椎动物中演变成四肢。然而,人们对基本的遗传变化知之甚少,这可能会导致这种鳍肢转换。因为腔棘鱼是今天活叶鳍鱼类的唯一系谱之一,它们的基因组提供了一个探索这个问题的机会。

作者在陆地脊椎动物中发现了一个位于腔棘鱼的 基因组内的DNA片段,但没有发现没有叶片的鱼,如金枪鱼,罗非鱼和鲨鱼。由于研究人员不能在实验室中研究活腔棘鱼,他们将这些片段插入小鼠胚胎中以了解它的功能。该片段激活了形成腕部,脚踝,手指和脚趾骨骼的基因网络。虽然目前尚不清楚腔棘鱼中DNA片段的功能,但作者认为这是形成帮助鱼类动物爬行的肢体末端的关键 出水。

古生物学家研究了化石鱼,以重建如何将鱼鳍转化为四肢,并在已灭绝的叶鳍鱼类中发现了基本的腕骨。 Ahlberg说,现在他们可以将DNA证据添加到该场景中。

鱼的基因变化速度缓慢表明一些动物的进化速度比其他动物慢。 Ahlaberg说,腔棘鱼看起来很原始,但看起来很难量化,而DNA序列则不然。 “他们的蛋白质进化缓慢的事实强调了这里正在发生一个真正的现象。”