以昆蟲為食的蝙蝠在黑暗中毫不費(fèi)力地導(dǎo)航，海豚和虎鯨在昏暗的水中吞噬了獵物，部分原因是與耳蝸神經(jīng)節(jié)發(fā)育有關(guān)的一組18個(gè)基因的特定變化-一組神經(jīng)從聲音中傳遞聲音斯坦福大學(xué)研究人員的一項(xiàng)研究顯示，大腦的耳朵是大腦的耳朵。

令人驚訝的是，這些截然不同的物種發(fā)展了其獨(dú)特的能力，可以利用聲波導(dǎo)航并識(shí)別障礙物和美味的小動(dòng)物，無(wú)論是蚊子還是min魚，部分是通過(guò)獲得基因組中相同的突變而實(shí)現(xiàn)的，而其他更緊密相關(guān)的物種沒(méi)有共享這種突變例如座頭鯨，它們耐心地在大海中篩分磷蝦，或者是蝙蝠，它們尋找著美味，可口的零食。

該發(fā)現(xiàn)解決了關(guān)于回聲定位的蝙蝠和鯨魚是否獨(dú)立地在“內(nèi)部”完成許多相似的基因組變化以實(shí)現(xiàn)同一目標(biāo)的長(zhǎng)期生物學(xué)爭(zhēng)論。研究人員說(shuō)，這也為進(jìn)一步了解人類疾病的分子基礎(chǔ)打開了大門，這些疾病包括耳聾，高膽固醇引起的皮膚損害和高原反應(yīng)。

看到這些截然不同的物種如何通過(guò)獨(dú)立獲取相似的遺傳變化為自己雕刻出自己的進(jìn)化生態(tài)位，不僅令人嘆為觀止，而且對(duì)我們了解自己的生理和發(fā)育也非常有益。發(fā)展生物學(xué)家一直想知道，在最基本的層面上，外部是否相同(例如使用回聲定位的物種)內(nèi)部是否相同。也就是說(shuō)，它們是否通過(guò)相似的分子變化獲得了這些特征?現(xiàn)在我們知道，不僅在某些情況下這是正確的，而且許多這些變化都發(fā)生在基因組的編碼區(qū)中。令人著迷。

Bejerano是這項(xiàng)研究的資深作者，該研究于9月30日在線發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。博士后學(xué)者Amir Marcovitz博士和研究生Yatish Turakhia和Heidi Chen擔(dān)任主要作者。

盡管耳蝸神經(jīng)節(jié)以前曾與所謂的回聲定位GPS技術(shù)一樣，但過(guò)去的研究主要依靠研究人員的直覺(jué)來(lái)根據(jù)其功能的先驗(yàn)知識(shí)來(lái)識(shí)別可能的基因參與者-一種尋找在路燈柱下丟掉鑰匙的方法。這些研究表明，與聽(tīng)力有關(guān)的僅四個(gè)基因中只有少數(shù)負(fù)責(zé)任的突變。

篩選整個(gè)基因組

相比之下，斯坦福大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種無(wú)偏見(jiàn)的方法來(lái)篩選整個(gè)基因組序列，并聚焦具有非凡能力或特征的動(dòng)物所共有的一致的遺傳變化。

他們使用該技術(shù)來(lái)識(shí)別不僅與回聲定位有關(guān)的基因，而且還識(shí)別對(duì)水生哺乳動(dòng)物的特殊皮膚(如海牛和虎鯨)的發(fā)育，或?qū)训母吆０蝿?dòng)物(例如，皮卡斯和羊駝。

研究人員開發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)很可能為尋求鑒定其他適應(yīng)性狀的遺傳基礎(chǔ)的生物學(xué)家打開無(wú)數(shù)扇門。這些發(fā)現(xiàn)還回答了發(fā)育生物學(xué)中另一個(gè)備受爭(zhēng)議的問(wèn)題。

貝杰拉諾說(shuō)：“很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，生物學(xué)家一直想知道，重要的進(jìn)化變化是否會(huì)通過(guò)在相關(guān)物種之間非常相似的基因序列發(fā)生變化而發(fā)生。” “這些基因通?？刂浦梭w不同組織的多種功能，因此似乎很難引入微小的變化。但是在這里我們發(fā)現(xiàn)，這些非常不同的物種不僅共享特定的遺傳變化，而且這些變化發(fā)生在編碼基因中。”

貝耶拉諾和他的同事們通過(guò)尋找具有獨(dú)特性狀的動(dòng)物也共享其DNA的變化的實(shí)例來(lái)開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，而這種變化在與其更親密的同伴中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。例如，為了分析回聲定位的演變，他們將回聲定位蝙蝠的基因序列與不進(jìn)行回聲定位的巨型蝙蝠的基因序列進(jìn)行了比較，并將有齒鯨科動(dòng)物(如海豚和虎鯨)與偶蹄類陸地哺乳動(dòng)物進(jìn)行了比較。(在研究時(shí)，尚無(wú)用于非定居鯨魚的完整基因組序列。)

研究人員尋找的實(shí)例中，基因的DNA序列獨(dú)立改變以編碼氨基酸，盡管在回聲定位物種中相同，但不同于大多數(shù)其他哺乳動(dòng)物在該位置發(fā)現(xiàn)的氨基酸。然后，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種方法來(lái)確定這些變化是否比預(yù)期具有相似功能的特定基因組發(fā)生的頻率要多于偶然發(fā)生的頻率。已知有約4,000個(gè)基因組影響哺乳動(dòng)物多種組織的發(fā)育和功能。

值得注意的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的無(wú)偏見(jiàn)歸因于回聲定位哺乳動(dòng)物中受影響最大的單個(gè)組織，即耳蝸神經(jīng)節(jié)。特別是，在已知與耳蝸神經(jīng)節(jié)發(fā)育有關(guān)的18個(gè)基因中發(fā)生了25個(gè)“會(huì)聚”氨基酸變化。在過(guò)去的回聲定位研究中，先前僅識(shí)別出25個(gè)變化中的兩個(gè)。

貝杰拉諾說(shuō)：“僅根據(jù)基因組序列，從一頂包含4000多個(gè)可能基因集的帽子中拉出耳蝸神經(jīng)節(jié)-一個(gè)真正的回聲定位發(fā)展的真正孩子”，這是非常壯觀的。“從不確定地檢查所有這些不同的群體到繁榮，你會(huì)有一個(gè)主要的嫌疑人立即跳到頂端。”

深入研究數(shù)據(jù)

最后，科學(xué)家對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了更深入的研究，以確保他們的工具不會(huì)錯(cuò)誤地識(shí)別出不同動(dòng)物遷徙的實(shí)例，或者在環(huán)境不再需要它們時(shí)放棄了某些特征。為此，他們檢查了數(shù)千年來(lái)在黑暗的地下迷失了視力的不同地下痣的整個(gè)基因組序列。

貝杰拉諾說(shuō)：“這項(xiàng)研究是一個(gè)很好的例子，說(shuō)明當(dāng)我們將多個(gè)物種的全基因組序列中的數(shù)據(jù)與有關(guān)特定基因的功能信息結(jié)合在一起時(shí)，我們可以完成的工作。” “生物醫(yī)學(xué)界已經(jīng)收集了這兩個(gè)數(shù)據(jù)集多年，現(xiàn)在很高興能處于這兩個(gè)領(lǐng)域的交匯處—識(shí)別基因保守性和功能之間以及表型與基因序列之間的關(guān)系?，F(xiàn)在我們已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)可以篩選數(shù)百萬(wàn)個(gè)潛在匹配項(xiàng)的工具，而且我們看到了一些精美的圖案的出現(xiàn)。在其他動(dòng)物和其他特征中這樣做非常有趣。