作者:苗妮 来源:中国科学报 发布时间:2013-10-10 11:13:49
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大规模基因比较助力系谱图研究

 
Emily和Alan Lemmon希望生物学家可以利用他们的技术绘制系谱图。
 
图片来源:KRISTIN ENGEBRETSEN
 
Emily Moriarty Lemmon永远不会忘记她在读研究生时,为建立青蛙系谱图而付出的努力。为了了解不同种类青蛙之间如何彼此相关,她需要评估尽可能多的DNA差异,但是时间和资金大大限制了她可以确定和测试的数量。“这很令人沮丧,而且并不是那么有意义。”Lemmon称。最终,她未能获得足够的数据来建立一个令人满意的青蛙系谱图。
 
因此,2009年,当她和懂计算机的丈夫Alan Lemmon开始在美国佛罗里达州立大学任职时,他们决定发展一种技术,以减少学生从事研究时的痛苦。他们开发了遗传标记的工具包,可以识别很多物种的DNA,这就为衡量物种之间的遗传差异以及相关性提供了一组标准参考点。在过去的6个月里,这对夫妻在几个主要进化学会议上对这种方法进行宣传,他们将其命名为锚定系统发生技术。
 
他们的技术和类似的方法依赖于在多个物种的基因组中发现的标记集合,从而可以简化物种系谱图研究。“这令人惊讶。”康涅狄格大学的分子分类学家Chris Simon这样说,“你可以把时间花在数据分析上,而不是数据收集上。”通过更全面和更快速地收集系谱图数据——几周而不是几年的时间——这种新技术能够勾画出人们所熟悉的生物的祖先图片。目前,一个先锋团队已经重绘了爬行动物的系谱图,揭示了龟与鳄鱼——而不是蜥蜴——的关系更为密切。
 
最初,科学家绘制系谱图的基础是生物的可见特征——例如四肢或鳍的数量和位置,或者化石中下颌的形状等。之后,遗传学家开始研究种系发生学,生物学家通过物种之间的DNA序列差异决定物种亲缘关系。但是提取出一些适合的基因或者DNA区域需要耗费数年时间。因此,过少的数据导致系谱图的分支勾画很困难。理论上,科学家可以简单地对不同物种的基因组测序,再进行比对,但是这种方法对于除了微生物之外的有机体来说,仍然过于昂贵和复杂。
 
Lemmon夫妇和其他人的技术提供了一种折中的方式,其关键在于确定在很多物种中都很普遍的序列(研究人员可以使用特定的探测手段轻易捕获)。在不同物种之间,这些共享的序列有时非常相似,可以帮助建立一个系谱图。
 
佐治亚大学的进化生物学家Travis Glenn和加州大学洛杉矶分校的进化生物学家Brant Faircloth聚焦于超保守成分(UCEs)——在很多脊椎动物中几乎相同的100到200个DNA基础部分。
 
2012年初,Faircloth在胎盘哺乳动物系谱图中证明了该技术,它将多个物种分类至正确的分支中。今年,在《生物学快报》上,他们发表了对爬行动物系谱图进行重绘的UCE分析,揭示了龟与鳄鱼、鸟类密切相关,而不是蜥蜴与蛇。他们还改进了鸟类系谱图,最近发表的对5种雨林鸟类的研究表明,该技术可以揭示鸟类刚开始物种分裂时的情况。
 
而Lemmon夫妇并不认为需要UCEs这样高度统一的标记,于是开始寻找动物特定群体之间相似的序列,而不是完全相同的序列。在第一组标记中,他们将人类基因与鸡、绿变色龙、西方爪蛙和斑马鱼的基因相比较,确定这些生物中有512种DNA序列是共同的,然后,他们使用这些共同的序列,出资让一家公司制作了数千个“脊椎动物基因标记”探针。
 
该探针对很多脊椎动物都适用——包括Lemmon夫妇曾经研究的青蛙。通过使用探针得到并比较了几百个DNA区域,Emily Moriarty Lemmon最终可以建立一个可信的系谱图。2012年,在加拿大渥太华的一个进化学会议上,她作了相关报告。
 
此后,Lemmon夫妇与澳大利亚的合作者一起创建了一个工具包,其中包括很多爬行动物和两栖动物的基因标记探针。“他们有一个非常简洁的操作系统,任何人都可以进入这个伟大的程序,从而获得其数据。”莱克星敦市肯塔基大学进化生物学家David Weisrock如是说。
 
作为理论进化生物学家的Alan Lemmon估计他们现在有50个合作者,而且每周都会涌来更多申请。合作者会提供他们为其制作系谱图的生物DNA,而Lemmon夫妇会设计探针,测序DNA,并进行生物信息学质量检查和初步分析(花费约每个样品175美元),从而达成合作关系。2012年,他们对300份样品进行操作,预计到2014年,每年操作的样品数量为5000份。
 
其他研究人员正在思索更多的基因序列捕获方式。乔治·华盛顿大学的进化生物学家R. Alexander Pyron称,这种多元化正是我们从一个成功的创新案例中所期盼得到的。“和我们过去做的事相比,现在的技术已经进步了几光年。”(苗妮)
 
《中国科学报》 (2013-10-10 第3版 国际)
 
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