骨鱼基因组进化的奥秘

正如20世纪小说家约瑟夫·康拉德(Joseph Conrad)所写的那样，“只有那些不做任何不犯错误的人，我想，”而且大自然非常忙碌，所以她创造了很多。但作为一个天才，她可以利用它们来获益。例如，全基因组复制 - DNA复制中的错误，或不同物种之间的交配，使染色体数量翻倍，导致绝大多数基因的重复。这些重大错误成为加速发展的主要力量之一。

与仅有一组基因的生物相比，具有额外基因组的生物可以更快地累积和测试突变，并且选择压力更小。即使另一个拷贝变异变得有害或无用，基因的一个拷贝也可以维持细胞的正常功能。其他可能的替代方案是当其中一个基因获得全新功能，或两个基因开始专门化时，每个基因都接管祖先功能的某一部分。

我们聊聊鱼

冗余在本质上是常见的，例如许多人类基因存在于几个拷贝中。但是，过多的冗余会影响效率。因此，每个全基因组复制事件之后都是重复基因的丢失。

由冲绳科学技术研究生院(OIST)，琉球大学，东北大学和日本大学的科学家在美国国家科学院院刊(PNAS)上发表的一份新的合作论文提出了一份相位数学模型描述了在全基因组复制后两个不同时间尺度上的基因丢失模式。这项研究由Jun Inoue博士开始，他现在是OIST数学生物学部的一名科学家，现任东北大学的助理教授Yukuto Sato和现任琉球大学副校长的Mutsumi Nishida教授。他们在东京大学合作，专注于硬骨鱼类，最大的一群骨鱼(图1)。这些鱼在大约3亿年前经历了自己特定的全基因组复制。“相比之下，人类谱系中最后一次全基因组重复发生在大约5亿年前，而且追踪非常困难，”数学生物学部主任Robert Sinclair教授解释道。

这项工作需要开发新的计算工具和数学工具，每个工具都适应先前确定的物种的进化历史。由研究小组开发的这些工具可以应用于任何类型的生物体(包括人类)中的全基因组重复的其他病例。

基因组批量编辑

比较斑马鱼的基因组和日本常见的鱼类 - 两个远距离相关的物种，具有2.5亿年的独立进化(图2A) - 显示它们非常相似(图2B)。“它们的形状，栖息地和繁殖模式非常不同，这表明硬骨鱼类基因组的基本结构是在硬骨鱼物种主要多样化之前建立的，”井上博士说。其他七种研究得很好的鱼类的基因组分析支持这一结论。

该研究的结果表明，在全基因组复制事件后的前6000万年中，大约80%的重复基因丢失(图2C)。考虑到大约5亿年前第一批脊椎动物出现在地球上(图2A)，6千万年是非常短的时间。井上博士表示基因组减少可能发生的速度更快。“我们正在等待鳗鱼基因组被完全解码以检验这一假设，”他说。鳗鱼及其亲属是在硬骨鱼特异性全基因组复制后与大多数硬骨鱼类分离的第一组。鳗鱼与其他硬骨鱼类的比较最终会让所有鱼类的进化更加清晰。

丢失冗余基因的想法并不新鲜; 然而，一个重要的新结果是“我们发现了证据表明基因在全基因组复制后迅速大量处理，并导致基因组的快速重塑，”辛克莱教授说。在第一阶段，如果相邻基因或甚至大染色体片段的簇无用或有问题，则它们可能已被删除。有趣的是，在这个快速阶段，许多主要生活硬骨鱼类的多样化并未发生(图2A)。

第二阶段的特征是基因丢失较慢(图2C)。科学家们提出，如果每个拷贝变得必不可少，一些配对基因就会被保留。其他重复基因继续丢失，但大多是一个接一个。这个过程一直持续到今天。进化永不停止!

为本研究开发的基因组分析方法将为更好地理解进化铺平道路，包括我们自己的进化。

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