潜入海底基因组，了解再生的进化

蛇星的基因组测序揭示了独特的基因排列，并提供了对参与肢体再生的古代基因的见解。

　　

雾气缭绕在瑞典的一个峡湾上，峡湾两旁耸立着高耸的森林峭壁，一群科学家从绿松石色的海水底部收集泥浆。他们正在研究蛇星（brittle stars）——一种长着细长、蛇形手臂的海洋动物——以窥视赋予它们独特特征的基因，包括再生能力。

蛇星属于棘皮动物门，该门包括海星、海胆、海参和海百合。

这种有趣的生物， Marlétaz的团队从瑞典的一个峡湾收集了数百只蛇星，并回到实验室对这种海洋动物的基因组进行了测序。蛇星属于丝状两栖动物研究结果发表在《Nature Ecology & Evolution》杂志上，揭示了两栖动物家族的动物是如何进化的，并提供了与肢体再生有关的基因的见解。

“这是一个巨大的资源，”没有参与这项研究的哈佛大学进化发育生物学家Mansi Srivastava说。“它将提出许多研究进化发育生物学的人一直在问的问题。”

Marlétaz的团队提取了他们从蛇星身上收集的DNA，并对其进行了测序，并组装了基因组。为了描绘蛇尾在大约5亿年前从其他棘皮动物中分化出来后是如何进化的，研究小组将蛇尾螺的基因组与海胆、海星和海参的基因组进行了比较。他们观察到，相对于其他棘皮动物，蛇星的基因组经历了更多重大的遗传变化，比如基因在染色体上的重组。在重新排列的基因中，有Hox基因簇的基因，这些基因决定了动物的身体结构。这些基因在进化距离较远的动物中以相同的顺序出现在同一染色体上虽然其他棘皮类动物Hox群的基因显示了这种预期的顺序，但海蛇尾基因组中的基因打破了这种模式。

“（这是）惊人的，因为我们知道Hox团在基因顺序方面是非常保守的，”伦敦大学学院的进化生物学家、该研究的合著者Elise Parey说。

Srivastava指出，研究这种重排可以为了解这种基因簇在棘皮动物中的作用提供重要的见解。“Hox基因在进化过程中似乎有很多限制，”Srivastava说。“现在有一种动物在玩这种限制。所以，研究一些偏离规则的东西实际上可以告诉你更多关于规则的东西，”她解释说。

有了蛇星的基因组， Marlétaz和他的团队研究了这种动物的另一个重要特征：它们的再生能力。像许多其他棘皮动物一样，蛇星在截肢后可以再生四肢。

Paray说：“蛇星可以在一个月内使手臂再生，这是非常非常快的。”相比之下，海星需要几个月的时间来再生失去的手臂，这使得蛇星成为研究再生基因的重要模型。

Marlétaz和他的团队试图找出这种再生能力背后的基因。他们切断了近3500只动物的手臂，并评估了手臂再生时的基因表达。随着再生的进展，不同的基因成为重要的媒介。参与伤口反应的基因，包括免疫和细胞迁移相关功能，在再生的早期阶段被激活，而后期阶段则以与组织分化和肢体形成相关的基因活性增加为标志。

绘制这些基因的祖先图谱显示，手臂再生在很大程度上涉及古老基因的表达，这表明其他再生动物之间有共同的遗传根源。为了研究其他动物的肢体再生是否涉及类似的基因，研究小组观察了远亲物种再生过程中表达的基因。他们将他们的蛇星基因图谱与之前发表的另外两种再生动物——美蝾螈（Ambystoma mexicanum）和海洋甲壳类动物（Parhyale hawaiensis）的数据进行了比较。他们观察到这三种动物在肢体再生过程中表达了相似的基因，证实了再生的共同祖先起源。

“我们的论文可能是为数不多的试图比较不同谱系中参与再生过程的基因的论文之一，” Marlétaz说。

“这篇论文呼吁我们以这种比较的方式研究更多的物种，”Srivastava表示赞同。然而，根据她的说法，识别蛇星的基因是第一步。“要真正了解他们在做什么，你必须在板凳上做一些功能性的工作。”

Paray同意了。“（下一步）将是生物验证实验，以剖析特定基因的作用。”