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肺鱼打破了最大的动物基因组记录，其DNA是人类的30倍

来源：花匠小妙招时间：2024-12-21 21:51

地球上所有动物中最长的基因组不属于巨型动物，也不属于认知先进的生物，而是属于一种扭动的水栖生物，它似乎被时间冻结了，正处于进化成可以生活在陆地上的动物的风口浪尖。

这些是肺鱼（lungfish），一种淡水脊椎动物，其独特的特征反映在一个巨大的遗传密码中。它们既能呼吸空气也能在水中呼吸，长着四肢状的鳍，骨骼结构发达，这些奇怪的古老生物被认为与所有四足脊椎动物有着共同的祖先。

了解这个长度的基因组实际上包含了什么，可能会给我们提供有关我们的祖先如何从潮湿的深处出现在陆地上行走的信息，科学家刚刚取得了突破。他们对最大的肺鱼基因组进行了测序，即南美洲肺鱼（Lepidosiren paradoxa）的基因组。

德国康斯坦茨大学的进化生物学家阿克塞尔·迈耶说：“南美物种的DNA超过90千兆碱基（换句话说，900亿个碱基），是所有动物基因组中最大的，是之前记录保持者澳大利亚肺鱼基因组的两倍多。”

“南美肺鱼的19条染色体中，有18条染色体都比整个人类基因组大，有近30亿个碱基。”

这个马拉松式的DNA碱基相当于人类基因组长度的30倍。奇怪的是，研究小组只计算了大约2万个蛋白质编码序列。

研究人员还对非洲肺鱼（Protopterus annectens）进行了测序，它们的个体基因数量相似，这使得两者的编码数量与我们自己的基因库大致相同。这就给研究人员留下了大量的外来DNA，让他们无法确定它们的用途。

在对这两种肺鱼进行测序之前，三年前发表了对澳大利亚肺鱼（Neoceratodus forsteri）的类似研究。这些组合序列揭示了这些鱼类在过去1亿年里如何多样化和进化的新见解。

肺鱼之所以如此命名，是因为与其他鱼类不同，它们实际上有一两个肺用于呼吸，这一特征是使它们能够过渡到四足动物生活的关键。

这三种血统 —— 非洲、南美和澳大利亚 —— 是至今仅存的。它们被认为是活化石，比较它们自大约3.9亿年前第一批四足动物出现以来的不同变化方式，可以帮助我们理解地球上生命进化的一个重要转折点，包括我们自己的物种。

Meyer、德国维尔茨堡大学的联合首席生物化学家Manfred Schartl及其国际团队发现，南美洲肺鱼基因组如此庞大的原因，与大量的“跳跃基因”有关，即转座因子。

这些流氓序列可以自我复制并在基因组中移动，这可能会对它们所在的生物体造成损害，但它们也可以引发快速的遗传变化。

对另一种与肺鱼密切相关的活化石腔棘鱼的研究表明，转座因子可能在四足动物的进化中发挥了相当重要的作用。南美洲肺鱼可能是解释原因的线索。在过去的1亿年里，每1000万年，基因组就增长了整个人类基因组的大小。

研究人员发现，这可能是因为piRNA（一种通常抑制转座子活性的RNA）在肺鱼体内的含量非常低。所以它们的基因组膨胀了。

“而且还在继续增长，”Meyer说。“我们已经发现证据表明，致病的转座子仍然活跃。”

由于南美洲肺鱼的跳跃基因仍在继续，研究人员认为基因组太难分析。令他们惊讶的是，他们发现基因组非常稳定，基因的排列非常保守，使肺鱼保持苗条和平均。

不过，这也意味着，研究人员可以对祖先叶鳍鱼的染色体结构进行逆向工程，不仅适用于他们研究的三个物种，也适用于所有四足动物的祖先。这项研究证实了这一祖先，为我们了解自己的进化路径提供了一套更完整的工具。

研究人员还能够总结出三个物种之间的一些有趣的差异。澳大利亚肺鱼只有一个肺，但仍然可以使用它们的鳃，并且还保留了曾经允许它们在陆地上移动的四肢状鳍。非洲和南美的肺鱼有萎缩的鳃和一对肺，它们的四肢进化回丝状鳍。

通过对携带肺鱼基因的小鼠进行研究，研究小组表明，这种肢体逆转与引导胚胎发育的Shh信号通路的变化有关。还有更多的发现等待着我们。

研究人员在他们的论文中写道：“由于肺鱼的所有三个谱系的基因组具有重要的系统发育地位，因此它们是更好地理解分子和发育过程，以及基因组进化变化如何促进陆地征服和四足动物进化的关键，四足动物是脊椎动物进化过程中的主要转变之一。”

“所有活着的肺鱼谱系的染色体水平基因组资源，现在将使人们能够进一步研究在泥盆纪征服土地的四足动物的叶鳍祖先。”

这项研究发表在《自然》杂志上。

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