文昌鱼。
调控元件驱动两栖动物胚胎中的基因表达。蓝色为细胞核，绿色为调控表达的蛋白质。
科学家曾经认为必须有200万个基因才能解释人类身体的复杂性，但自从对人类基因组进行测序后，研究人员发现人类只有19000到25000个基因，这并不比普通蛔虫多多少。现在，有证据表明，人类和其他脊椎动物之所以拥有独特的属性，并非因为基因的数量，而是因为基因表达的调控方式。
11月21日发表在《自然》杂志上的一项新研究让我们得以一窥脊椎动物基因调控的起源。日本冲绳理工学院研究生院（OIST）的研究人员对文昌鱼进行了研究。文昌鱼是脊索动物门中的一种生物，虽然拥有与脊椎动物相似的身体结构，但缺乏脊椎动物特有的特征，如头部、眼睛和四肢。研究人员探索了文昌鱼是如何控制其基因活性的，并明确哪些基因调控机制是已经存在、哪些调控机制是由脊椎动物进化来的。
“从进化的角度来说，如果真的想了解脊椎动物、哺乳动物和人类的特殊之处，我们需要有这个基础才能比较他们。”该项研究的共同第一作者、OIST分子遗传学研究中心博士后Ferdinand Marletaz说。
科学家们假设，除了生命进化树上的文昌鱼以外，生物体还会产生整个基因组的额外副本。有证据表明，整个脊椎动物的基因组经历了两次复制，每一个基因的进化都留下了额外的副本。这两轮全基因组复制被认为是推动脊椎动物引入其特有的遗传特征的动力。Marletaz说：“这两轮全基因组复制促进了所谓的‘脊椎动物新特征’的进化，例如头部和四肢。”
新特征的发展在很大程度上依赖于新的基因调控方式，这种方式允许脊椎动物开启或关闭特定的基因。然而，科学家们从未将基因组复制和这些新发现的调控方式联系起来。现在，通过比较文昌鱼和脊椎动物（如斑马鱼），研究人员得出了其中的联系。他们发现，尽管两者包含的基因数量大致相同，但与脊椎动物相比，文昌鱼的基因组包含的调控区域要少得多。脊椎动物的基因组在复制的过程中丢失了一些基因，在剩下的基因中留出空间，容纳了这些调控区域。随着时间的推移，剩下的基因受到严格的控制。科学家认为随着重复基因在功能上的分化，不同的组织可能已经开始进化。
研究结果还揭示了文昌鱼的一种基因调控机制，这种调控机制曾被认为是脊椎动物所特有的机制。被称为甲基的化学结构在脊椎动物基因组中大量出现，并调控其附着的基因。在发育过程中，脊椎动物的基因组会通过去甲基化改变基因调控。研究表明，虽然文昌鱼基因组中的甲基化很少，但也会把去甲基化作为一种基因调控的形式。
这项研究结果将去甲基化这种基因调控方式移到了进化时间轴更早的位置。有了更多的数据，科学家们可能会发现，其他基因调控形式的出现可能与我们之前的认知有出入。“我们需要更多这种类型的研究来理解不同动物在基因调控方面的主要差异。即使是现在，我们仍然所知甚少。”Marletaz说。
使用《自然》杂志的研究方法，Marletaz正在分子遗传学领域研究鱿鱼。鱿鱼和脊椎动物有许多共同的复杂特征，比如眼睛和大脑都很大，它们代表着进化的另一个阶段。用类似文昌鱼系统的方法来研究鱿鱼应该会进一步加深科学家对基因调控的理解。
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编译：花花
责编：唐林芳
期刊来源：《自然》
期刊编号：0028-0836
原文链接：
https://phys.org/news/2018-11-vertebrates-special-lancelets.html
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