来自240种哺乳动物物种的基因组揭示了人类基因组的独特之处

在过去的100亿年里，哺乳动物几乎适应了地球上的所有环境。Zoonomia Project的科学家一直在通过比较今天存在的240个物种的DNA序列来对哺乳动物基因组的多样性进行编目，从土豚和非洲稀树草原大象到黄斑岩蹄和zebu。

本周，在《科学》特刊的几篇论文中，Zoonomia团队展示了比较基因组学如何不仅可以揭示某些物种如何取得非凡的壮举，还可以帮助科学家更好地了解我们基因组中功能正常的部分以及它们如何影响健康和疾病。

在新的研究中，研究人员确定了基因组的区域，有时只是DNA的单个字母，这些区域在哺乳动物物种和数百万年的进化中最为保守或不变 - 这些区域可能在生物学上很重要。他们还发现了不常见的哺乳动物特征的部分遗传基础，例如能够冬眠或嗅出数英里外的微弱气味。他们确定了可能特别容易灭绝的物种，以及更有可能在罕见和常见人类疾病中发挥因果作用的遗传变异。

这些发现来自对全球50多个不同机构收集的DNA样本的分析，其中包括圣地亚哥野生动物联盟的许多样本，该联盟提供了许多来自受威胁或濒危物种的基因组。

跨越七个时区的150多人为Zoonomia项目做出了贡献，该项目是世界上最大的哺乳动物基因组学比较资源。这项工作由麻省理工学院和哈佛大学博德研究所脊椎动物基因组学组主任，麻省大学陈医学院生物信息学和综合生物学教授Elinor Karlsson和Kerstin Lindblad-Toh领导，他是Broad脊椎动物基因组学科学主任，瑞典乌普萨拉大学比较基因组学教授。

“基因组学中最大的问题之一是人类有一个非常大的基因组，我们不知道它的作用，”卡尔森说。“这套论文确实展示了你可以用这种数据做什么的范围，以及我们可以从研究其他哺乳动物的基因组中学到多少东西。

卓越的特质

在今天发表的一项研究中，共同第一作者，乌普萨拉大学研究员Matthew Christmas和卡内基梅隆大学博士后研究员Irene Kaplow，以及Karlsson，Lindblad-Toh和合作者发现，至少有10%的人类基因组在物种之间高度保守，其中许多区域发生在蛋白质编码基因之外。超过4，500种元素在超过98%的研究物种中几乎完全保守。

大多数保守区域 - 其变化比基因组中的随机波动慢 - 参与胚胎发育和RNA表达的调节。更频繁变化的区域塑造了动物与环境的相互作用，例如通过免疫反应或皮肤发育。

研究人员还确定了与哺乳动物世界中一些特殊特征相关的基因组部分，例如非凡的大脑大小，卓越的嗅觉以及在冬季冬眠的能力。

着眼于保护生物多样性，研究人员发现，在基因组保守位点具有较少遗传变化的哺乳动物面临更大的灭绝风险。Karlsson和Lindblad-Toh表示，即使每个物种只有一个参考基因组，也可以帮助科学家识别处于危险中的物种，因为所有哺乳动物物种中只有不到5%具有参考基因组，尽管需要做更多的工作来开发这些方法。

疾病洞察

在另一项研究中，Karlsson，Lindblad-Toh及其同事使用哺乳动物基因组来研究人类特征和疾病。他们专注于第一篇论文中发现的一些最保守的单字母基因组区域，并将它们与科学家以前使用其他方法与癌症等疾病相关的遗传变异进行了比较。

研究小组发现，他们基于进化保守的基因组注释揭示了遗传变异与其功能之间的更多联系，而不是其他方法。他们还确定了在包括癌症在内的罕见和常见疾病中可能因果关系的突变，并表明在疾病研究中使用保护可以更容易地发现增加疾病风险的遗传变化。

这项研究的共同第一作者是北卡罗来纳大学医学院教堂山精神病基因组学中心主任、瑞典卡罗林斯卡学院精神病遗传学教授帕特里克·沙利文;瑞典乌普萨拉大学遗传学研究员詹妮弗·梅多斯;以及南加州大学凯克医学院人口与公共卫生科学助理教授史蒂文·加扎尔。

充满疑问的世界

第三项研究由耶鲁大学遗传学助理教授史蒂文·赖利(Steven Reilly)和布罗德研究所成员帕迪斯·萨贝蒂(Pardis Sabeti)共同领导，他们使用Zoonomia数据和实验分析检查了10，000多个特定于人类的基因缺失，并将其中一些与神经元的功能联系起来。

今天发表的其他动物学论文显示，哺乳动物在恐龙大规模灭绝之前就已经多样化;揭示了为什么 1920 年代一只名叫巴尔托的著名雪橇犬能够在阿拉斯加的恶劣景观中幸存下来的基因解释;发现人类对基因组组织的特异性变化;使用机器学习来识别与大脑大小相关的基因组区域;描述了人类基因组中调控序列的进化;专注于在基因组周围移动的DNA序列;发现历史上种群较少的物种今天灭绝的风险更高;并比较了近500种哺乳动物之间的基因。

对于Karlsson，Lindblad-Toh以及自2005年以来一直在为Zoonomia或其前体项目测序哺乳动物基因组的研究人员来说，这些研究 - 以及他们回答的问题的广度 - 只是可能的一小部分。

“我们对哺乳动物物种的测序非常热情，”Lindblad-Toh说。“我们很高兴看到我们和其他研究人员如何以新的方式处理这些数据，以了解基因组进化和人类疾病。

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