头足类动物基因组一样“非常奇怪”的动物

鱿鱼、章鱼、墨鱼-甚至科学家们研究他们是非常奇怪的生物。称为软体或coleoid头足类动物,他们有最大的任何无脊椎动物的神经系统,复杂的行为,如瞬时伪装,武器镶嵌着灵巧的吸盘,和其他独特的进化特征。

现在,科学家们已经挖到的头足类生物基因组了解这些不寻常的动物。在这个过程中,他们发现头足类动物基因组一样奇怪的动物。科学家(MBL)在伍兹霍尔海洋生物实验室,维也纳大学,芝加哥大学,冲绳科技学院和加州大学伯克利分校的两项新研究报告了他们的发现自然通讯。

“大型和复杂的大脑已经进化出几次,”该研究说卡洛琳AlbertinMBL Hibbitt研究员。“一个著名的例子是脊椎动物。另一个是软体头足类动物,它作为一个单独的例子说明一个庞大而复杂的神经系统可以放在一起。通过了解头足类动物的基因组,我们可以洞察的基因是重要的在建立神经系统,以及在神经功能”。

在Albertin等本周公布的,团队的基因组分析和比较三头足类动物的物种——两个鱿鱼(Doryteuthis pealeii和Euprymna scolopes)和章鱼(章鱼bimaculoides)。

比较这三个头足类动物的基因组测序,没关系,是一个绝技的努力由草基金会资助几年来发生在世界各地的实验室。

“可能是最大的进步在这个新的工作提供染色体层面不少于三头足类动物基因组的组装,所有这些可用于研究MBL,”作者说克利夫顿Ragsdale神经生物学和生物学和解剖学教授,芝加哥大学。

“染色体的水平组件允许我们更好的完善有哪些基因和它们的顺序是什么,因为基因组各自为政,“Albertin说。“现在我们可以开始研究监管元素可能驾驶这些基因的表达。”

最后,比较基因组使科学家们得出结论,进化软体头足类动物的小说特征介导的,在某种程度上,由三个因素:

• 大规模重组的头足类动物基因组在进化
• 特定基因家族的扩张
• 信使RNA分子的大规模的编辑,尤其是神经系统的组织。

最引人注目的是,他们发现,头足类动物基因组”搅动得令人难以置信,”Albertin说。

在一个相关的研究(Schmidbaur等),上周发表,团队探索如何重组基因组Euprymna scolopes影响基因表达。研究小组发现,基因组重组导致新的相互作用,可能参与制造的许多新颖的头足类动物组织,包括他们的大型、复杂的神经系统。

“在许多动物,基因组内基因顺序一直保存在进化的时候,“Albertin说。“但在头足类动物,基因组经历了的重组。这提出了一个有趣的情况:基因组中基因被注入新的地点,新的监管元素推动基因的表达。可能为小说特征进化创造机会。”

有什么惊人的头足类动物基因组?

关键的见解头足类动物基因组研究提供包括:

• 他们是大的。的Doryteuthis基因组是人类基因组的1.5倍,和章鱼基因组大小的人的90%。
• 他们匆忙。”在脊椎动物进化的关键事件,导致人类,包括两轮全基因组重复,“Ragsdale说。“有了这个新的工作,我们现在知道,软体头足类动物的进化同样涉及大规模基因组变化,但变化并不全基因组重复,而是巨大的基因组重组,好像祖先基因组是放在搅拌机里。”

“有了这个新的信息,我们可以开始问大规模基因组变化可能会成为那些头足类动物和脊椎动物共享的关键的独特特性,特别是其庞大的身体不成比例的大大脑的能力,“Ragsdale说。

令人惊讶的是,他们发现这三个头足类动物基因组相对高度重新安排,以及与其他动物相比。

“章鱼和鱿鱼互相分化大约3亿年前,因此,他们似乎有非常独立的进化历史,“Albertin说。“这激动人心的结果表明,戏剧性的头足类动物基因组的重组产生新基因订单在鱿鱼和章鱼演化中起了重要作用。”

它们含有新的基因家族。研究小组发现了数百个基因在基因家族小说特有的头足类动物。虽然一些古代基因订单常见的其他动物是保存在这些新的头足类动物基因家族,调控的基因似乎非常不同。其中一些cephalopod-specific基因家族是高度表达独特的头足类动物的特性,其中包括乌贼的大脑。

某些基因家族是不同寻常的扩大。“一个令人兴奋的例子是protocadherin基因,“Albertin说。“头足类动物和脊椎动物独立重复protocadherins,与果蝇和线虫,失去了这个基因家族。这种重复导致丰富的分子框架,可能参与了大型和复杂的独立进化在脊椎动物的神经系统,头足类动物。”

他们还发现种特异的基因家族扩张,例如基因参与制定乌贼的喙或吸盘。“这两个基因家族在章鱼被发现。所以,这些单独的组动物想出新的基因家族来完成他们的小说生物学、”Albertin说。

RNA编辑:颤的一箭产生新鲜感

之前研究MBL表明,鱿鱼和章鱼显示这是一个相当高的RNA editin率g,多样化的各种蛋白质,动物可以产生。跟踪发现,Albertinet al。测序RNA从26个不同的组织Doryteuthis在不同组织和研究RNA编辑利率。

“我们发现一个非常强烈的信号为RNA编辑改变蛋白质的序列被限制到神经系统,特别是大脑和巨大的纤维叶,“Albertin说。

“这在不同的组织提供了一个资源目录的编辑问后续关于编辑的影响的问题。例如,RNA编辑发生帮助动物适应温度变化或其他环境因素?随着基因组序列,有目录的RNA编辑网站和利率将为未来的工作提供极大的便利。”

栏:为什么这些头足类动物被砍掉了吗?

这三个头足类动物物种为研究选择给他们的过去和未来对科学研究的重要性。“我们可以学习到很多动物通过测序基因组和基因组提供任何形式的调查的一个重要工具,“Albertin说。

它们是:

• 大西洋长鳍鱿鱼近海(Doryteuthis pealeii)。近一个世纪的研究在这个鱿鱼MBL和其他地方显示神经传递的基本原则(一些发现获得了诺贝尔奖)。然而,这是第一次报告的基因组序列研究乌贼(Albertinet al .,由草基金会资助)。两年前,MBL团队取得了第一头足类动物的基因敲除使用Doryteuthis pealeii,利用初步基因组序列数据和CRISPr-Cas9基因组编辑。
  
• 夏威夷短尾猫鱿鱼(Euprymna scolopes)。一个发光的细菌生活在一个独特的“器官”鱿鱼,双方的互惠互利。这个物种已经成为一个模型系统研究animal-bacterial共生和其他方面的发展。草案大肠scolopes基因组组装在2019年出版。
  
• 加州两元章鱼(章鱼bimaculoides)。相对来说是块的科研新手,这是第一个章鱼基因组测序。Albertin共同领导的团队公布了草案的基因组在2015年。

引用:

1。Schmidbaur H,川口,克拉伦斯T, et al。小说的出现头足类动物基因调控和表达通过大规模基因组重组。Nat审稿。2022;13 (1):2172。doi:10.1038 / s41467 - 022 - 29694 - 7。

2。Albertin CB Medina-Ruiz年代,Mitros T, et al。基因组和转录组机制驱动头足类动物进化。Nat审稿。2022;13 (1):2427。doi:10.1038 / s41467 - 022 - 29748 - w。

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