鸭嘴兽基因组测序完成:部分基因来自鸟类、爬行类及哺乳类

长了个鸭嘴的鸭嘴兽真的是地球上最奇怪的动物之一。最近,鸭嘴兽的基因组的第一份完整图谱刚刚被释出,而这个基因组就如同你从一只具有10条性染色体、一对有毒的刺、一层会发萤光的皮毛、以及会「流出」乳汁的皮肤的生物身上所能预期般的一样奇怪。

鸭嘴兽基因组测序完成:部分基因来自鸟类、爬行类及哺乳类插图1

下蛋的哺乳动物

今日,现存的哺乳动物分成三个族群,包括单孔目、有袋类以及真兽下纲,或是所谓的「胎盘哺乳类」,而我们人类属于最后一个族群。其中,后面两个族群组成一个被熟知为兽亚纲哺乳类的次族群。兽亚纲哺乳类都是生产活幼体,然而单孔目太过不同而无法也被归结于该次族群中。

鸭嘴兽和针鼹,这两种澳洲的动物属于单孔目下的唯二生物,两者都会下蛋,却都以乳汁来抚养幼兽。这两种动物的基因都相对原始且未改变过,显示出多种脊椎动物下各纲动物基因的诡异混合体,包括鸟类、爬行类、以及哺乳类。

虽然鸭嘴兽一开始看起来可能很不一样,但就是这些差异揭开了我们与地球的其他脊椎动物之相似处与共同祖先。科学家们认为鸭嘴兽的基因组可以告诉我们关于人类自身演化的秘密,以及我们遥远的哺乳类祖先是如何从下蛋变成生产的。

鸭嘴兽基因组测序完成:部分基因来自鸟类、爬行类及哺乳类插图3

来自哥本哈根大学的演化生物学家张国杰博士解释说:「完整的基因组提供我们关于鸭嘴兽一些奇异的特征是如何出现的答案。同时,对鸭嘴兽的基因组进行解码对于改善我们关于其他哺乳类动物是如何演化的认知是很重要的,这包括我们人类。」

完整基因组揭晓

仍然不清楚什么时候哺乳动物中的三个不同族群首次从彼此开始分支。有些人认为单孔目生物先分出来,接着有袋类以及真兽下纲跟进。其他人认为这三个族群的所有都在大约相同的时间分支。

在过去几年,一只母鸭嘴兽的一些基因组被序列化,但是在没有任何Y 染色体的序列下,仍缺少很多的资讯。藉由使用一只公鸭嘴兽,研究人员目前已创造出高度准确的鸭嘴兽基因组的物理图谱。而鸭嘴兽的基因组现在帮助厘清一些相关日期。从针鼹与鸭嘴兽所收集的数据显示出它们共同的祖先存活到5700 万年前。同时,单孔目整体似乎在大约1.87 亿年前从有袋类以及真兽下纲中分支出来。

即使在过了那么多时间后,半水生的鸭嘴兽仍然维持几乎无变化,良好适应于澳大利亚灌木丛中的生态区,而许多有袋类以及真兽下纲的生物就是无法生存于此环境中。

喂乳汁的基因

本研究的作者对鸭嘴兽的性染色体特别地感兴趣。它们的性染色体似乎独立于其他兽亚纲哺乳类,其中所有的兽亚纲哺乳类都包含一对简单的XY 染色体。然而,鸭嘴兽是唯一一种已知有10 条性染色体的动物(针鼹有9 条)。鸭嘴兽具有成环状排列的5X 及5Y 染色体,而此环似乎在哺乳类演化的过程中已崩裂成碎片。

研究人员将这项染色体资讯与人类、负鼠、袋獾、鸡与蜥蜴的基因组进行比较,结果发现,比起像是人类的哺乳类动物,鸭嘴兽的染色体与像是鸡的鸟类具有更多共通处。但是,虽然鸭嘴兽如同鸡般的下蛋,他们却像兽亚纲哺乳类般的喂养幼兽乳汁。因此,并不太意外的,单孔目的基因组包含其他兽亚纲哺乳类所拥有的乳汁基因。

酪蛋白基因帮忙编码哺乳类乳汁中的特定蛋白质,但是单卡目似乎包含具有未知功能的多余酪蛋白基因。这就是说,它们的乳汁并不像来自母牛或什至哺乳期人类的乳汁。因此,鸭嘴兽可能并不像其他鸟类及爬虫类物种般仰赖蛋的蛋白质,因为它们之后可以透过皮肤上的乳腺来喂养幼兽。

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它们的基因组支持这个结果。当鸟类及爬虫类依靠三个替大部分鸡蛋蛋白质进行编码的基因时,鸭嘴兽似乎已在大约1.3 亿年前失去大部分这些基因。当日的鸡具有所有这三种鸡蛋蛋白质基因,人类没有半个,而鸭嘴兽仅留下一个功能完整的基因。

鸭嘴兽是一个诡异的中间体,而它的基因组似乎是连到我们自身演化史的桥梁。张博士说:「它告诉我们,在所有现存哺乳类动物中的乳汁生产都是透过同一组基因而发展出来,这组基因源自活在超过1.7 亿年前的共同祖先,这些祖先与侏罗纪时期的早期恐龙共同生活。」

其他特殊特征

完整的基因组也揭晓了四个与牙齿发展有关联的基因已丧失,可能在大约1.2 亿年前消失。为了进食,现在的鸭嘴兽使用一对角质垫来磨碎其食物。

在鸭嘴兽后腿上的毒刺可能可以藉由它的防御基因来说明,这些防御基因与其他哺乳动物的免疫系统有关联,且似乎会产生它们毒液中独特的蛋白质。而同样也具有完整基因组序列的针鼹似乎已失去关键的毒液基因。

研究人员说,他们的研究结果代表着「鸭嘴兽和针鼹的一些最令人着迷的生物学」。他们作出结论:「两种动物的新基因组会提供我们更进一步的见解来了解兽亚纲哺乳类的革新,以及这些非凡的下蛋哺乳类的生物学及其演化。」

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