首次描述了海龟基因组的三维结构：它们的基因组以一种独特的方式折叠

一项由爱荷华州立大学进化生物学家领导的新研究首次描述了海龟基因组的三维结构，其折叠结构与迄今为止观察到的任何其他动物都不同。

　　

在DNA分子长长的核苷酸链中，蕴藏着大量的遗传数据，为生物体如何运作提供了指导——生命的蓝图。然而，蓝图的存储方式会影响它的读取和使用方式。

当细胞分裂和复制时，盘绕在蛋白质（染色质）周围的DNA链在紧密捆绑的染色体中。分裂后，染色体松弛，染色质不致密。染色质纤维折叠和缠绕的方式和位置会影响哪些基因被激活。爱荷华州立大学领导的研究小组的研究结果为这一过程提供了新的见解，可能具有潜在的生物医学用途。

“染色质折叠时的三维结构对基因调控很重要。染色质在细胞核中的物理位置很重要。染色质折叠模式的进化改变了基因组功能和发育程序，这些功能和发育程序驱动表型进化和适应不断变化的环境，”爱荷华州立大学生态学、进化和有机生物学教授Nicole Valenzuela说。“染色体折叠仍然是一个黑盒子。我们已经了解了很多，但这还只是冰山一角。”

在细胞周期的分裂后间期，染色体的形状和位置影响基因功能，因为它使非相邻区域接触，如增强子序列和基因启动子。活性染色质区域内易于相互作用的DNA更有可能表达，而不易接近的被抑制染色质内的DNA则沉默。

通过分析DNA分子的不同部分相互接触的频率，科学家们模拟了人类和许多经常研究的动物（包括老鼠和鸟类）染色质的不同物理结构。这要感谢巴伦苏埃拉帮助领导的一个研究小组。在《基因组研究》（Genome Research）杂志最近发表的一篇论文中，研究人员描述了他们对两种海龟基因组的研究，发现它们的染色质排列令人惊讶，这在其他生物中是没有观察到的。

新颖的对齐方式

染色体有一个更薄的连接点，叫做着丝粒，在它们的末端，由重复的DNA序列保护，叫做端粒。在人类中，染色体位于细胞核内的不同区域。但在一些动物的细胞中，比如有袋动物，染色体聚集在一起，这样它们的着丝粒就可以相互作用。在其他动物中，比如鸟类，它们聚集在一起，这样端粒就会接触。海龟是迄今为止研究过的唯一一种端粒和着丝粒彼此靠近的动物。这些折叠和位置上的差异转化为谱系特异性基因调控。

“这可能是羊膜动物的祖先状况，哺乳动物，鸟类和爬行动物以不同的模式进化而来。这些海龟可能向我们展示了最初存在的东西，为脊椎动物基因组的进化提供了线索，”瓦伦苏埃拉说。

更多地了解海龟的三维基因组结构以及它如何对环境条件做出反应，可以帮助解释这些特征的遗传基础，这些特征可以用于人类的生物医学用途。例如，一些海龟可以在没有氧气的情况下存活数周，这可能会导致中风的治疗。弄清楚一些海龟是如何抵御极端寒冷的，可能有助于人体组织的低温保存。

“我们想更多地了解为什么不同的血统在某些方面是不同的，为什么它们在其他方面是相同的，我们有哪些部分是相同的，哪些部分是不同的，”瓦伦苏埃拉说，他的研究重点是海龟。“如果我们能够重建已经发生的变化的进化史，我们将能够更多地了解DNA包装和染色体折叠的差异如何影响我们感兴趣的特征，基因如何被调节以及脊椎动物基因组如何进化。”了解海龟的染色质结构如何对外部条件做出反应，也将有助于预测环境变化对其生物学的潜在影响，从而有利于保护工作。”

这项研究的部分资金来自美国国家科学基金会的两笔拨款。

更深入的研究

她说，研究海龟基因组的空间组织将继续是巴伦苏埃拉实验室的重点。

未来的计划包括研究更多的海龟物种。目前的研究涉及多刺软壳龟和北方巨型麝香龟，但巴伦苏埃拉的研究小组已经收集了数据来研究另外四种海龟的基因组结构。她还想将海龟与鳄鱼、蜥蜴和蛇进行比较，看看它们的染色质排列是否相似。

为了更深入地研究海龟染色质折叠的功能，巴伦苏埃拉将研究她的实验室为三种海龟开发的肝类器官——实验室培养的微小细胞球，模仿简化版的肝组织。

更复杂的绘图方法也将产生更丰富的结果，包括更高分辨率的数据，产生更详细的染色质图，以及研究三维染色质结构如何随时间和不同环境变化的技术。

“要真正做到基因型到表型的映射，我们必须达到这种复杂程度”。