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即夏威夷短尾鱿鱼的基因组大小是人类基因组大

作者: 科技新闻  发布:2020-01-09

对所有动物的健康至关重要的细菌也在动物及其组织的进化中起主要作用。为了了解动物如何随着时间的推移与细菌共同进化,研究人员转向夏威夷短尾鱿鱼,Euprymna scolopes。

即夏威夷短尾鱿鱼的基因组大小是人类基因组大小的1.betway必威官网:5倍,它能消除乌贼的影子。每天晚上,夜行的夏威夷短尾乌贼(Euprymna scolopes)都会从它们在太平洋浅水区的洞穴里出来捕虾。这种高尔夫球大小的软体头足纲动物在其捕食者面前没有太多保护措施,所以它们需要依靠另一种生物——费氏弧菌(Vibrio fischeri)。

美丽的乌贼奇妙的共生 科学家开创微生物组研究

betway必威官网,在本周发表在“美国国家科学院院刊”上的一项新研究中,由UConn分子和细胞生物学副教授Spencer Nyholm领导的国际研究团队对这种小鱿鱼的基因组进行了测序,以确定共生中独特的进化足迹。关于如何容纳细菌的器官尤其适合这种伙伴关系的器官。

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没人真的对乌贼上心,他们关心的是乌贼所能帮助回答的那些重要问题。

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图丨夏威夷短尾乌贼

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第一个鱿鱼基因组由Nyholm,佛罗里达大学的Jamie Foster,维也纳大学的Oleg Simakov和夏威夷大学的Mahdi Belcaid进行测序。例如,该团队发现了一些惊喜,即夏威夷短尾鱿鱼的基因组大小是人类基因组大小的1.5倍。

“它基本就像是短尾乌贼的小隐形衣,”佛罗里达大学空间生命科学实验室的微生物学家 Jamie Foster 说。费氏弧菌生活在乌贼墨囊内的一个器官中,能够配合月光的亮度,在夜间发出光芒。作为保护自己不被捕食者发现的回报,短尾乌贼为细菌提供糖分,同时利用糖将它们引诱到特定器官。

图片来源:Kent Nishimura

通过将E. scolopes的基因组与其表亲章鱼进行比较,研究人员表明,章鱼和夏威夷短尾鱿鱼的共同祖先经历了一次重大的基因改造,重组并增加了基因组大小。这种“升级”可能使头足类动物的机会增加,包括容纳细菌的新器官。

这一互惠关系已经进化了数百万年,只是多细胞动物和微生物共同工作以增加生存几率的众多例子之一。不过,科学家们对这种关系如何进化、是什么使动物进化出专门引诱共生生物的器官等问题仍所知甚少。

尽管水族箱看上去空空如也,但里面其实有一些东西。一双眼睛从底砂中伸出来,它们的主人被轻而易举地捞进一个玻璃碗中。起初,这个生物看起来像一颗榛果松露,小小的、圆圆的,身上布满了小斑点。但轻轻一抖,这些沙粒斑点便脱落下来,一只约拇指大小的雌性夏威夷短尾乌贼便出现了。

“夏威夷短尾鱿鱼已成为研究共生超过30年的模式生物,”Nyholm说。“拥有基因组将有助于研究这些相互作用的研究人员,以及那些研究不同生物学领域的研究人员,如动物发育和比较进化。”

如今,Foster 和一支国际研究者团队绘制了夏威夷短尾乌贼的基因组图谱,为探索这一系列问题提供了新工具。通过剖析短尾乌贼的基因组,研究团队发现了它们的发光器官与另一个支持繁殖的共生器官完全不同的进化路径。这篇发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)的文章为包括人类在内的动物-微生物相互作用领域奠定基础。

碗里没有其他动物,但这只乌贼并不孤独。它身体的下面含有一个两腔的发光器官,里面充满了被称为费氏弧菌的发光细菌。在野外,这些细菌发出的光亮被认为可与夜空倾泻而下的月光媲美。它能消除乌贼的影子,从而帮助其在捕食对象面前“隐形”。于是,从下面看,乌贼是不可见的。而从上面看,它们又很迷人。“它们太美丽了。”在美国威斯康星大学麦迪逊分校动物学家Margaret McFall-Ngai看来,这些乌贼是绝佳的实验室动物。

许多动物都有容纳细菌的器官。人体肠道容纳了数万亿的细菌,这些细菌在消化,免疫功能和整体健康方面发挥着重要作用。通过识别帮助动物与细菌合作的基因来了解如何维持这些关系,为进一步了解人体提供了基础。夏威夷短尾鱿鱼是识别这些基因的优秀模型,因为它与有益微生物有共生关系,并且被许多科学家用于研究细菌和动物之间的交流。

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为微生物组研究打下基础

夏威夷短尾鱿鱼有两种不同的共生器官,研究人员能够证明这些器官在进化过程中各有不同的路径。这种特殊种类的鱿鱼有一个光器官,它含有一种发光的或生物发光的细菌,使鱿鱼能够从掠食者身上披露自己。在过去的某个时刻,发生了一个重大的“重复事件”,导致眼睛中通常存在的基因的重复拷贝。这些基因使鱿鱼能够操纵细菌产生的光。

图丨佛罗里达大学的微生物学家 Jamie Foster 研究短尾乌贼的免疫反应以深入了解人类的免疫系

几乎没有什么事情能比短尾乌贼和费氏弧菌之间的合作关系更让McFall-Ngai激动万分。当然,这是在作了超过26年的研究之后才收获的成果。在此期间,McFall-Ngai发现这种共生关系的亲密程度超出之前任何人的想象。在与宿主建立完全忠诚的关系上,费氏弧菌要远胜过其他微生物。它同乌贼的免疫系统相互作用,调节其生物钟,并通过改变乌贼的身体影响其早期发育。

另一个发现是,在辅助腺体,一个雌性生殖器官中,富含基因,这些基因是“孤儿基因”或仅在短尾鱿鱼中发现而不在其他生物中发现的基因。

这项工作同时标志着首个乌贼目动物基因组的完成——同时在 2015 年章鱼基因组图谱发表后第二个完成的头足纲动物。“拥有其基因组将是研究共生关系的巨大资源,”来自芝加哥大学、参与过章鱼基因图谱绘制的学者 Cliff Ragsdale 说。

其中一些发现帮助McFall-Ngai开创了自己的研究领域。当McFall-Ngai在1978年开始自己的学术生涯时,微生物学家几乎完全将注意力放在病原体和疾病上面。但在过去的10年间,基因测序技术的发展使得科学家辨别出生活在人和其他动物体内的上万亿种微生物,并且发现了这些微生物如何促进宿主的发育、消化甚至是行为。对于这些被统称为微生物组的研究,是当下生物学最热门的领域之一,而由McFall-Ngai作出的一些发现为其打下了基础。“在大家关注动物—微生物互相作用之前,她便在该领域开展了开创性的研究,使得微生物组成为一个很有吸引力的话题。”加州理工学院地球生物学家Dianne Newman表示。

“鱿鱼和章鱼表现出非常独特的基因组结构,与任何其他动物不同,”西马科夫说,“证实了之前关于它们不同寻常的性质和复杂性的报道。”

鉴于短尾乌贼的触须、变色的皮肤和其他新奇的生物特性,它们似乎不是帮助研究人类或其他动物共生关系的显而易见的候选者。但是科学家们已经把这个物种作为一种共生模式生物研究了 30 多年。“我们有着许多相同的基因和基因通路,所以我们能够通过这些共生模式系统发现到许多可能与我们健康相关的信息,”Foster 说。例如,人类和乌贼有着同样的免疫系统组成。实际上,因为我们的免疫系统之间的相似性,Foster 将乌贼送上太空,用来研究人类在宇宙飞行产生的免疫应答。

不过,微生物组研究的兴起可谓喜忧参半。注意力和资金主要被放在那些测序大批微生物尤其是人体内微生物以及探寻它们如何影响健康的项目上。当资金支持日益紧缩时,乌贼和其发光搭档便黯然失色了。不过,即使是最杰出的微生物组研究人员也表示,他们会抽出时间研究McFall-Ngai提出的乌贼—细菌共生关系,因为理解这种简单的关系有助于弄清楚就其本质而言更难以研究的复杂微生物群落。“我认为充分利用这种体系所展现的经验教训非常重要。”人类微生物组研究领军人物之一、来自华盛顿大学的Jeff Gordon说,它们的重要性从未减少。

福斯特指出,梳理这些不寻常和复杂的细节直接适用于其他细菌/动物关系的研究。

除此之外,短尾乌贼还有着对共生研究来说得天独厚的特性。短尾乌贼的发光器官并不像人类肠道和自然界中大多数其他共生器官那样,与一群细菌结成伙伴关系,而是与费氏弧菌形成严格的“一夫一妻制”关系。短尾乌贼的免疫系统只识别并在发光器官内培育这一种细菌,避开所有其他追求者。“因为我们的研究中只有一个宿主和一个共生体,所以我们更容易梳理状况。”康狄涅格大学的共生关系学专家 Spencer Nyholm 说。

研究乌贼或许代表了那条少有人走的路,但McFall-Ngai总是被这样的道路所吸引。“当我第一次遇到她时,我们都在洛杉矶,并且经常开车出去。”McFall-Ngai的搭档Ned Ruby回忆说,“如果她开车从A地到B地,即使已经有一条明显的路,她也会把所有的路径试个遍。大多数路线都要远一些。我会说:‘我们为什么要这么做?’她便回答:‘你永远不知道高速公路何时会被关闭。我想四处探寻一下,再选择路线。’这也是她作研究的方式。她不会驶入主要道路然后坐等被堵住。相反,她会选择小路。”

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