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研究人员完成首例双峰驼全基因组序列图谱

核心提示:2012年11月,内蒙古农业大学等单位的研究者完成世界首例双峰驼全基因组序列图谱,成果在世界顶级科学杂志Nature子刊 Nature Communications上作为封面文章在线发表,引起了世界各国科学家的关注。有科学家指出,双峰驼全基因组序列图谱为人类提供了治疗糖尿病、高血压,增强免疫力的另外一种思路。

中国生物产业网www.cnbioindustry.cn】2013年3月1日讯  2012年11月,内蒙古农业大学等单位的研究者完成世界首例双峰驼全基因组序列图谱,成果在世界顶级科学杂志Nature子刊 Nature Communications上作为封面文章在线发表,引起了世界各国科学家的关注。有科学家指出,双峰驼全基因组序列图谱为人类提供了治疗糖尿病、高血压,增强免疫力的另外一种思路。骆驼加快进化的基因,特殊的代谢特性,使其有望成为一种研究代谢综合症的新型模式生物,揭示这种疾病的内在原理和应对方案。而这是许多医学科技工作者多年来一直在苦苦寻找的。

打开双峰驼分布图会发现,在荒漠化程度较高的地带,骆驼的数量最集中。

骆驼在沙漠里生存“游刃有余”。它们每餐都要食用大量的盐,积累大量的脂肪以及糖分,但奇怪的是它们从不会患上高血压和糖尿病等代谢性疾病;它们在缺少水、食物,温差大,生存条件恶劣的沙漠中长时间不吃不喝,却依然可以健步如飞。“沙漠之舟”的生存奥秘究竟是什么?

两年多前,来自内蒙古农业大学、上海交通大学等单位的研究者从一只来自蒙古国阿尔泰省自然保护区的8岁雄性野骆驼和一只来自阿拉善的6 岁家骆驼身上分别提取了血液和耳部组织,进行基因测序。2012年11月,世界首例双峰驼全基因组序列图谱测绘完成,成果在世界顶级科学杂志N“t″“ “子刊N“t″““C″““″″i““ti″″“上作为封面文章在线发表,引起了世界各国科学家的关注。

这一成果试图破解隐匿在这一物种身上的种种谜团,正如N“t″““网站评价的那样:“来自中国的科学家们正在解开保证骆驼在严酷环境下生存的基因魔方。”

家骆驼、野骆驼和牛,拥有共同祖先

双峰驼有怎样的进化史?外观上看,野骆驼和家骆驼很不一样,那么从基因层面,二者之间又有何异同?

这一次,研究人员将双峰驼的基因组与人、黑猩猩、牛、狗、马、鸡、鱼的基因组进行比对后发现,双峰驼与同属偶蹄目动物的牛的遗传关系最近。它们曾有共同的祖先,大概在5500—6000万年前分化,开始向各自不同的轨道进化。这一基于基因分析得来的时间比在北美地区首次发现的骆驼科化石的时间稍早一些。

据几年前美国科学家的研究表明,野骆驼的基因链比家骆驼多2到3个。内蒙古农业大学食品科学与工程学院教授、国际双峰驼学会理事长吉

日木图表示,从此次基因分析的结果看,它们确实存在许多的不同之处。

“外型上野骆驼的头、两峰比家骆驼小,颈、四肢较长。野骆驼的毛短而稀,且只有一种颜色深褐色,而家骆驼毛长而浓密,毛色也更丰富,有褐、红色等等。与野骆驼相比,家骆驼外显子区域的杂合率普遍较低,这可能是因为人为选择的结果。”吉日木图说。

较高的杂合率代表更多样的遗传性,而人为选择会降低某一位点的遗传多样性,即选择性清除。家骆驼的特征经过人为选择,更适合于托东西、食肉等。研究人员发现,嗅觉受体在家骆驼中的杂合率显著低于野骆驼。“这表明,驯养和嗅觉有很大的关系。”吉日木图说。他解释,人为驯养确实改变了家养骆驼的嗅觉等特性。“野骆驼的鼻腔很大,它能察觉到三五百公里外的水源。当然,不能说家骆驼找不到水源,但野骆驼显然厉害多了。”

一个是人工驯养,一个靠自然选择,家骆驼和野骆驼的关系究竟如何?吉日木图表示,从双峰驼基因组分析看,野骆驼并不是家骆驼的直接祖先,它们拥有一个共同祖先,大概在70万年前二者分道扬镳,走上了各自的进化之路。

2730个加速进化基因,让骆驼少得病

经过驯养的家骆驼更适合为人类服务。

在基因测序后研究人员发现了双峰驼的4756个独有基因,而引起国际高度关注的是2730个加速进化状态的基因。

“所谓加速进化,就是"进化得更快"。其他动物都处于较为稳定的状态。但骆驼的这2730个基因的进化速率却明显高于牛等动物,非常独特。”吉日木图说。这些加速进化基因主要富集在碳水化合物代谢、脂类代谢和调节代谢过程的信号传导通路中。

这些发生了快速进化的与代谢相关的基因,使骆驼在新陈代谢上具有显著的独特性,这让发现它们的专家们非常惊讶。而这或许就是骆驼在沙漠恶劣环境中生存之谜的谜底。例如与胰岛素通路相关基因的适应性进化,可能就是为什么骆驼在高血糖的状态下却不会得糖尿病并发症的原因。

胰岛素是动物体内唯一可以降低血糖的激素,胰岛素分泌不足或缺乏会导致血糖升高,反之分泌过多又会引起血糖迅速下降。此次研究发现在胰岛素信号传导通路中起关键作用的两个基因P13K和AKT在骆驼体内具有加速分化特征,可能改变了对胰岛素信号传导的应答。“这两个基因,以及许多和代谢有关的加速基因,使骆驼的血糖水平比别的反刍动物高出两倍以上却安然无恙。”吉日木图说。

骆驼的这一特性能够帮助人类了解胰岛素调控机理,进而为糖尿病人寻找更合适的治疗途径。

  此外,骆驼吃的盐是牛的8倍,但却没有高血压症,研究人员发现这是因为骆驼拥有更多拷贝数的能控制血压升高的CYP2J等基因。在骆驼体内,CYP2J的基因拷贝数是11个,多于牛和人,可以更好的帮助骆驼控制血压。此外,CYP2J基因可以帮助骆驼多产生一种肾小管血管的潜在扩张剂,促进水的吸收,这对于其在沙漠里生存具有重要意义。

拥有—副好“发动机”,竟与鸟类相似

“骆驼的耐力没有动物能够比拟。特别是野骆驼,在沙漠里不吃不喝四五天仍能保持正常的生理功能。以往人们都认为骆驼的耐力来源于它两个丰厚的驼峰,但我们长期研究双峰驼的人却感觉或许事实并非如此,因为要比较起来,猪的脂肪应该比骆驼还要多,耐力却不行。我们的猜测和疑惑在这次基因组测定完成后得到了证实,这源于骆驼的一个特别的基因突变。”吉日木图说。

这一基因突变是指骆驼体内一个维持红细胞形状的蛋白质功能发生了突变。这一突变能让骆驼的红细胞快速膨胀,从而可以携带更多的水分和氧气。“这就好比汽车的发动机,好的发动机耗油量小却能产生巨大能量,骆驼就有一副好发动机,所以能在沙漠里世世代代存活。”

更让人惊讶的是,骆驼的这种能量代谢方式在其他哺乳动物中并不存在,却与鸟类极为相似。“鸟类也是这样,小鸟的体积那么小,能量却非常高,能够不停地拍打翅膀,振翅高飞。”吉日木图说。他又补充说道:“相比之下,野骆驼的驼峰比家骆驼要小,但耐力却更强。”由此可见,骆驼拥有耐力的原因确实不完全来自于驼峰。

骆驼还有许多独特性,例如它对植被具有超强的适应力,拥有特殊的免疫系统,此次研究人员同时也解析了双峰驼的解毒基因和免疫球蛋白的遗传分子特征。据了解,骆驼是唯一能产生重链抗体的哺乳动物。重链抗体缺失轻链,比常规抗体小,也更稳定,科学家正在积极研究怎样将其应用在肿瘤的靶向治疗上。

成为新型模式生物,服务人类健康

骆驼身上通过自然选择而形成的进化优势,使其翻越了无数沙山荒漠,闯过了几千万年的进化迷途,然而今天,这种动物数目却锐减。

据统计,野骆驼共有730至880峰,比大熊猫数目还少。世界自然保护联盟已将野生双峰驼作为濒危物种列入红皮书。尽管如此,野生双峰驼仍然面临着濒于灭绝的危险境地。此外,我国的双峰驼数目也只有20多万峰,比20多年前减少了一半以上。除了自然原因,养驼的经济效益差也是数目减少的另一个重要原因。

在公布双峰驼全基因组序列图谱的新闻发布会上,专家说:“长久以来,我们观察到骆驼的许多优良特性,但对其形成和作用的机理却了解很少,许多问题都悬而未决。”而加强对骆驼的基础研究,可以为开发骆驼独特的生物价值奠定基础,也将从根本上解决骆驼濒危问题。

更为重要的是,双峰驼全基因组序列图谱为人类提供了治疗糖尿病、高血压,增强免疫力的另外一种思路。“骆驼加快进化的基因,特殊的代谢特性,使其有望成为一种研究代谢综合症的新型模式生物,揭示这种疾病的内在原理和应对方案。而这正是许多医学科技工作者多年来一直在苦苦寻找的。”吉日木图说。

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