240种哺乳动物的基因组揭示了人类基因组的独特之处

在过去的1亿年里，哺乳动物已经适应了地球上几乎所有的环境。Zoonomia项目的科学家们通过比较从食蚁兽到非洲大草原象等240个现存物种的DNA序列，对哺乳动物基因组的多样性进行了编目。在《科学》杂志的一期特刊中，Zoonomia团队展示了比较基因组学不仅可以揭示某些物种是如何取得非凡成就的，还可以帮助科学家更好地理解我们基因组的功能部分，以及它们如何影响健康和疾病。

　　

   

   

视频:来自世界上最大的比较基因组资源“动物基因组计划”的一组论文对240种哺乳动物的基因组进行了比较。DNA样本由全球50多个不同的机构收集，包括圣地亚哥野生动物联盟，该联盟提供了许多受威胁或濒危物种的基因组。这些发现有助于说明，比较基因组学不仅可以揭示某些物种是如何取得非凡成就的，还可以帮助科学家更好地了解我们基因组的功能部分，以及它们如何影响健康和疾病。在这个专题视频中，Elinor Karlsson博士和Kerstin Lindblad-Toh博士描述了这个项目以及他们希望学到的东西。

资料来源:麻省理工学院博德研究所和哈佛大学

在过去的1亿年里，哺乳动物已经适应了地球上几乎所有的环境。Zoonomia项目的科学家们通过比较目前存在的240个物种的DNA序列，对哺乳动物基因组的多样性进行了编目，从食糜兽和非洲大草原象到黄斑岩狸和斑马。

本周，在《科学》(Science)特刊的几篇论文中，Zoonomia团队展示了比较基因组学不仅可以揭示某些物种是如何取得非凡成就的，还可以帮助科学家更好地理解我们基因组的功能部分，以及它们如何影响健康和疾病。

在新的研究中，研究人员确定了基因组的区域，有时只是DNA的单个字母，在哺乳动物物种和数百万年的进化中是最保守的，或不变的，这些区域可能具有重要的生物学意义。他们还发现了一些不常见的哺乳动物特征的遗传基础，比如冬眠的能力或从几英里外嗅出微弱气味的能力。他们确定了可能特别容易灭绝的物种，以及更有可能在罕见和常见的人类疾病中起因果作用的基因变异。这些发现来自对全球50多个不同机构收集的DNA样本的分析，其中许多来自圣地亚哥野生动物联盟(San Diego Wildlife Alliance)，该联盟提供了许多受威胁或濒危物种的基因组。

跨越7个时区的150多人参与了Zoonomia项目，这是世界上最大的比较哺乳动物基因组资源。这项工作由麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所脊椎动物基因组学小组主任、麻省理工大学陈医学院生物信息学和综合生物学教授埃莉诺·卡尔森(Elinor Karlsson)和布罗德研究所脊椎动物基因组学科学主任、瑞典乌普萨拉大学比较基因组学教授克斯廷·林德布莱德-托(Kerstin lindbladd - toh)领导。

卡尔森说:“基因组学最大的问题之一是，人类有一个非常大的基因组，我们不知道它的全部功能。”“这组论文确实展示了你可以用这种数据做什么，以及我们可以从研究其他哺乳动物的基因组中学到多少东西。”

特殊的特征

在发表的一项研究中，共同第一作者、乌普萨拉大学研究员马修·克里斯莫斯和卡耐基梅隆大学博士后研究员艾琳·卡普罗，以及卡尔松、林德布拉德-托和合作者发现，至少10%的人类基因组在不同物种之间是高度保守的，其中许多区域位于蛋白质编码基因之外。超过4500种元素在98%以上的研究物种中几乎完全保守。

大多数保守区域——它们的变化比基因组的随机波动要慢得多——与胚胎发育和RNA表达调控有关。变化更频繁的区域塑造了动物与环境的相互作用，比如通过免疫反应或皮肤的发育。

研究人员还确定了与哺乳动物世界中一些特殊特征相关的基因组部分，如非凡的大脑大小、优越的嗅觉和冬季冬眠的能力。

为了保护生物多样性，研究人员发现，在基因组中保守位点的遗传变化较少的哺乳动物面临更大的灭绝风险。Karlsson和Lindblad-Toh说，即使每个物种只有一个参考基因组，也可以帮助科学家识别有风险的物种，因为只有不到5%的哺乳动物物种有参考基因组，尽管需要更多的工作来开发这些方法。

疾病的见解

在另一项研究中，Karlsson、Lindblad-Toh和同事们利用哺乳动物基因组研究人类的特征和疾病。他们专注于第一篇论文中发现的一些最保守的单字母基因组区域，并将它们与科学家先前使用其他方法将其与癌症等疾病联系起来的遗传变异进行了比较。

研究小组发现，与其他方法相比，他们基于进化守恒的基因组注释揭示了遗传变异与其功能之间更多的联系。他们还发现了可能导致包括癌症在内的罕见和常见疾病的突变，并表明在疾病研究中使用守恒可以更容易地发现增加疾病风险的基因变化。

这项研究的共同第一作者是北卡罗来纳大学医学院精神病基因组学中心主任、瑞典卡罗林斯卡医学院精神病遗传学教授帕特里克·沙利文;瑞典乌普萨拉大学的遗传学研究员詹妮弗·梅多斯(Jennifer Meadows);以及南加州大学凯克医学院人口与公共卫生科学助理教授史蒂文·加扎尔(Steven Gazal)。

一个充满疑问的世界

第三项研究由耶鲁大学(Yale University)遗传学助理教授史蒂文·赖利(Steven Reilly)和Broad研究所成员帕迪斯·萨贝蒂(Pardis Sabeti)共同领导，他们利用Zoonomia的数据和实验分析，检查了1万多个人类特有的基因缺失，并将其中一些缺失与神经元的功能联系起来。

今天发表的其他动物学论文揭示，哺乳动物在恐龙大规模灭绝之前就已经多样化了;揭示了20世纪20年代一只名叫巴尔托的著名雪橇犬为何能够在阿拉斯加恶劣的环境中生存下来的基因解释;发现人类特有的基因组组织变化;使用机器学习来识别与大脑大小相关的基因组区域;描述了人类基因组调控序列的进化;专注于在基因组中移动的DNA序列;发现历史上种群数量较少的物种在今天面临更高的灭绝风险;并比较了近500种哺乳动物的基因。

对于Karlsson、Lindblad-Toh以及自2005年以来一直在为Zoonomia或其前身项目进行哺乳动物基因组测序的研究人员来说，这些研究——以及它们所回答的问题的广度——只是可能性的一小部分。

Lindblad-Toh说:“我们对哺乳动物物种的测序非常感兴趣。“我们很高兴看到我们和其他研究人员如何以新的方式处理这些数据，以了解基因组进化和人类疾病。”