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大自然中不同物種的壽命呈現(xiàn)出驚人的多樣性，最長(zhǎng)壽和最短壽的物種生存周期有著將近15萬(wàn)倍的差異。 一些短壽命動(dòng)物一直都被認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)室研究的較好模型，例如酵母、蠕蟲、果蠅等，而本文的研究對(duì)象——非洲青鳉魚（Nothobranchius furzeri ）——也對(duì)壽命相關(guān)的研究提供了重要線索和思路，并憑借全基因組測(cè)序和壽命研究的完美結(jié)合登上《cell》雜志。 青鳉魚是目前為止壽命最短的可在人工飼養(yǎng)情況下繁育的脊椎動(dòng)物，并且來自于不同地域的青鳉魚壽命也不同。本研究利用全基因組測(cè)序分析，從基因水平對(duì)青鳉魚壽命調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行了探究，為壽命相關(guān)基因、蛋白、通路的研究提供了重要基礎(chǔ)。 本研究對(duì)青鳉魚進(jìn)行了全基因組拼接，組裝指標(biāo)達(dá)到：contig N50: 9.3kb，scaffold N50: 247kb，基因組的重復(fù)序列含量達(dá)到45%以上。之后對(duì)基因組進(jìn)行了注釋，共預(yù)測(cè)出28494個(gè)蛋白編碼基因（圖1）。 圖1 青鳉魚基因組信息（部分） 研究還從進(jìn)化水平對(duì)青鳉魚進(jìn)行了分析，利用20個(gè)不同物種構(gòu)建了系統(tǒng)進(jìn)化樹，此外為了確定這種短壽命魚的相關(guān)進(jìn)化特征，通過和7種相對(duì)長(zhǎng)壽的魚進(jìn)行比較，利用最大似然法確定了青鳉魚蛋白編碼基因中發(fā)生正選擇的基因（圖2）。這些基因主要富集在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、代謝、發(fā)育、蛋白質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)、免疫相關(guān)的成分中，而以上這些過程都與老化的調(diào)節(jié)有關(guān)（圖3）。其中一個(gè)正選擇基因解旋酶RTEL1（端粒伸長(zhǎng)調(diào)節(jié)解旋酶1），主要參與端粒伸長(zhǎng)，并與先天性角化不良（人類的一種早衰特征的綜合征）有關(guān)。 圖2 系統(tǒng)進(jìn)化樹和青鳉魚中的正選擇基因數(shù) 圖3 發(fā)生正選擇基因的相關(guān)功能 本研究證明有22種已知的和老化相關(guān)的基因在青鳉魚中發(fā)生了正選擇，這些基因包括胰島素受體A（INSRA）和胰島素樣生長(zhǎng)因子受體（IGF1R(1of2)）等（圖4），都在人類或小鼠中被證明和壽命長(zhǎng)短調(diào)節(jié)有關(guān)。 圖4 青鳉魚中INSRA和IGF1R(1of2)基因發(fā)生正選擇 研究表明在青鳉魚中發(fā)生正選擇的基因，在一些長(zhǎng)壽動(dòng)物（如裸鼴鼠、弓頭鯨）中也發(fā)生了正選擇，還有一些基因發(fā)生了特有的氨基酸變異，如IGF1R(1of2)等（圖5中A）。 研究還對(duì)IGF1受體和LMNA的殘基進(jìn)行了比對(duì)，想研究是否相關(guān)的蛋白質(zhì)殘基也發(fā)生了正選擇，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同物種中都發(fā)生了正選擇但有所差異（圖5中B、C）。一些蛋白參與壽命長(zhǎng)短的調(diào)節(jié)，都是基于殘基的作用，不同物種間同樣的蛋白被選擇是因?yàn)樵谇圜汈~滯育的過程中或者在長(zhǎng)壽命物種整個(gè)生命周期中，青鳉魚和長(zhǎng)壽命物種都對(duì)環(huán)境壓力體現(xiàn)出了抗性。 圖5 青鳉魚中發(fā)生正選擇的基因(A)，青鳉魚和人類中IGF1受體和LMNA殘基及變異（B, C) 除了其他物種與青鳉魚的基因組比較分析，研究還對(duì)不同品種青鳉魚基因組進(jìn)行了比較，為了確定和壽命相關(guān)的基因差異，研究者著重對(duì)長(zhǎng)壽的紅尾MZM品種青鳉魚的基因組內(nèi)SNP進(jìn)行了研究，表明部分SNP和老化相關(guān)，部分對(duì)蛋白有功能性影響。 圖6 長(zhǎng)壽命品系青鳉魚基因組中含有特異性SNP基因舉例 此外研究對(duì)長(zhǎng)壽命和短壽命品系青鳉魚進(jìn)行了遺傳連鎖分析，比較長(zhǎng)壽命（父本）和短壽命（母本）青鳉魚雜交產(chǎn)生的F1代和F2代的生長(zhǎng)壽命，結(jié)果表明F1和F2代都比短壽命親本的存活時(shí)間長(zhǎng)，說明長(zhǎng)壽命這一遺傳性狀相對(duì)于短壽命來講是顯性的。研究還確定了和青鳉魚壽命相關(guān)的特定基因區(qū)域，并發(fā)現(xiàn)這些遺傳區(qū)域坐落于性染色體上，與性別決定區(qū)距離很近，壽命相關(guān)的QTL和性別決定區(qū)在一個(gè)連鎖群上（圖7），表明與青鳉魚短壽命相關(guān)的基因與性別決定基因發(fā)生了共進(jìn)化。
本次發(fā)表在cell雜志的青鳉魚文章，除了其重要的研究切入點(diǎn)（壽命研究），還有著深入細(xì)致的分析。 實(shí)際上青鳉魚作為一種模式物種已經(jīng)不是第一次被測(cè)序，早在2007年?yáng)|京大學(xué)的科研工作者就利用sanger法對(duì)青鳉魚的另一品種（Oryzias latipes）進(jìn)行了全基因組測(cè)序。此種青鳉魚大小約700Mb，測(cè)序組裝的結(jié)果達(dá)到contig N50: 9.8kb，scaffold N50: 1.41Mb，并且定位到染色體水平。成功預(yù)測(cè)出20141個(gè)編碼基因，其中2900個(gè)為新基因。研究還發(fā)現(xiàn)此種青鳉魚中SNP水平很高，達(dá)到3.42%，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)化分析，結(jié)果表明特定的基因類別上作用的選擇壓力是有一定差異的，還結(jié)合其他物種證實(shí)了硬骨魚類曾經(jīng)發(fā)生的染色體間重排事件，而青鳉魚保留了3億年前祖先的染色體核型。 圖8 硬骨魚類基因組進(jìn)化 從十幾年前到現(xiàn)在，基因組測(cè)序技術(shù)飛速發(fā)展，人類對(duì)于生命科學(xué)的探尋卻從未間斷過，全基因組測(cè)序讓我們明白——生命是可以測(cè)量的。 參考文獻(xiàn)
文案：劉亞茹（De novo事業(yè)部） 編輯：賈紅麗 |
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