实验室非洲爪蟾DNA基因组是如何起源的
最常见的实验室青蛙的基因组序列显示，它起源于不同青蛙物种杂交和基因组加倍，与导致脊椎动物起源的事件平行。
非洲爪蛙非洲爪蟾（上图）的基因组大约是相关的西部爪蛙X. tropicalis（下图）的两倍。（摄影：广岛大学铃木敦史）
在10月20日出版的《自然》杂志上，由加州大学伯克利分校和东京大学的科学家领导的一个国际研究联盟报告了非洲爪蛙非洲爪蟾的基因组复制模式。研究小组表明，青蛙的基因组是通过1500万至2000万年前两种现已灭绝的物种的种间杂交而产生的。
新报道的青蛙基因组提供了对古代复制基因组行为的见解。自杂交以来，已有数千个基因被禁用，研究小组发现了近千个无功能的"死亡"基因，其他基因正在死亡，还有一些基因已经完全丢失。类似的事件被认为发生在近五亿年前导致现代脊椎动物的进化谱系中。动物通常有成对的染色体，一组遗传自妈妈，另一组遗传自爸爸。然而，非洲爪蛙的DNA是其他青蛙的两倍，并且有四组染色体，这种情况被称为四倍体，四倍体在植物和一些两栖动物，爬行动物和鱼类中很常见，但在其他动物中很少见。
通过对非洲爪蛙基因组进行测序和分析，研究人员发现，它的四组染色体被组织成两组配对，一组"长"，另一组"短"。每个父母都向其后代贡献一个长集和一个短集。该分析证实了一个长期存在的假设，表明X. laevis的长亚基因组和短亚基因组最初来自两种传统的青蛙物种。通过种间交配的过程，这两个祖先合并形成了一个新的物种，最终成为今天的非洲爪蛙。
一旦结合在一起，两个传统的亚基因组结合在一起，形成一个"超级基因组"，每个基因都有额外的拷贝。这两个亚基因组需要合作来指导新物种的功能，并处理它们之间的任何冲突。值得注意的是，研究人员发现这两个祖细胞基因组对合并的反应不同。虽然一个或多或少地保持完整，但另一个由于其遗传物质的大规模和小规模删除和破坏而缩小。结果是我们今天看到的"长"和"短"亚基因组。
四倍体非洲爪蛙在水族箱中，看着自己的倒影。（摄影：Sofia Medina-Ruiz，加州大学伯克利分校）
国际合作包括来自美国，日本，韩国，荷兰，澳大利亚和瑞士的研究人员，由加州大学伯克利分校的Daniel Rokhsar和Richard Harland以及东京大学的Masanori Taira领导。
该研究的主要作者是加州大学伯克利分校和能源部联合基因组研究所的博士后研究员Adam Session，名古屋大学的Yoshinobu Uno以及德克萨斯大学和韩国蔚山国立科学技术研究所的Taejoon Kwon。
两个基因组比一个好吗？
非洲爪蟾属Xenopus（zen'-uh-pus，字面意思是"奇怪的脚"）的非洲爪蛙包括20多种原产于撒哈拉以南非洲的物种。在20世纪初，生物学家发现雌性青蛙对人类荷尔蒙有反应，给青蛙注射女性的尿液可以用于简单的妊娠试验。青蛙成为一种标准的诊断工具，在医院和研究实验室中很常见。
科学家们很快意识到，非洲爪蟾也是基础生物学的一种有价值且多功能的实验室模型，这使得研究能够阐明脊椎动物胚胎发育的基本机制和人类疾病背后的机制。
"因为X. laevis是细胞和发育生物学的一个经过充分研究的模型系统，所以它非常适合探索多倍体对基因组进化的影响，"分子和细胞生物学教授Harland说。
自20世纪70年代以来，人们已经知道许多非洲爪蟾物种的DNA是大多数其他青蛙的两倍，四倍甚至六倍，以及基本染色体集的可比增殖。事实上，只有一种传统的非洲爪蟾二倍体物种是已知的。
虽然这两个祖先物种现在都灭绝了，但研究小组发现了两个物种参与其中的基因组信号，并推断它们在1500万至2000万年前聚集在一起，形成了我们现在所知的非洲爪蟾物种。
"就好像我们今天看到的基因组是由两个不同的作者很久以前写的，他们每个人都有自己最喜欢的单词，他们一遍又一遍地使用，"Rokhsar说。"我们使用这些特殊词来区分两个亚基因组，弄清楚哪些染色体是由哪个'作者'写的。然后，我们可以分析这两个文本对合并到单个文档中的反应。
非洲爪蟾基因组编码一种青蛙，其细胞和体型大于基因组较小的青蛙。自合并以来的数百万年里，基因组在适应新环境时发生了微妙且不那么微妙的变化。除了基因丢失之外，胚胎发育过程中的活动时间也针对数千个基因进行了调整。
"我们在分析非洲爪蟾基因组时只是触及了表面，"东京大学生物科学教授Taira说。"对于对基因组进化以及细胞和体型的控制感兴趣的生物学家来说，这是一个信息宝库。
基因组越多越好吗
重复的基因组在植物中很常见，在一些两栖动物，爬行动物和鱼类中很常见。科学家认为，哺乳动物无法通过重复的基因组生存，因为有太多的X或Y染色体导致基因功能失衡。但青蛙的性别决定并不像哺乳动物那样简单，而且似乎更灵活，通常受到环境因素的影响。这种额外的灵活性，也存在于一些鱼类中，似乎允许基因组加倍发生在这些物种中。
X. laevis两侧是其较小的表亲X. tropicalis。（摄影：Atsushi Suzuki）
基因组倍增不仅仅是两栖动物的好奇心。成千上万的人类基因（以及其他脊椎动物的基因）在不同染色体上的多个拷贝中被发现。这些古老复制的基因出现在近五亿年前，大约在早期脊椎动物开始与其他动物分化的时候。这些重复基因在人类和其他脊椎动物基因组中的染色体分布表明，它们是早期脊椎动物祖先中古代基因组倍增的残余物。
但是，尽管自脊椎动物进化史上这些形成基因组倍增事件以来已经过去了数亿年，但非洲爪蟾的翻倍要近得多 - 只是进化的一眨眼，塞申说。
"非洲爪蟾的重复使我们能够研究相对新鲜的基因组重复，观察对倍增的相对短期的进化反应，"Session解释说。"古代脊椎动物的重复要古老得多，并且被染色体重排和基因丢失所掩盖。事实上，早期脊椎动物重复产生的大多数重复基因都迅速丢失，因为它们是多余的。在青蛙中，我们可以研究持续的损失过程。
虽然许多"管家"基因已经丢失，但控制细胞命运的重复基因往往被保留下来，这表明它们的精确剂量很重要。
模式生物非洲爪蟾的成名史
非洲爪蟾有成为理想的实验室模型的特征，例如可以通过激素注射诱导产卵以及一年中任何时候都有产卵的能力，这是它们来自撒哈拉以南的结果，在那里它们必须准备好产卵以应对不规则的降雨。非洲爪蟾的研究在理解细胞和发育生物学方面取得了重大进展，并获得了多项诺贝尔奖。
左，X. laevis的蝌蚪比其表亲X. tropicalis的蝌蚪大得多，后者的基因组大小只有其一半。（摄影：Atsushi Suzuki）
它们也很容易研究，因为它们从受精的青蛙卵到游泳的蝌蚪的发育发生在水中。两栖动物的胚胎很大，而且足够健壮，可以进行精细的"剪切和粘贴"实验，以询问胚胎的哪些部分是信号传导的中心，以及哪些部分对这些信号做出反应。
在20世纪20年代，希尔德·曼戈尔德（Hilde Mangold）和汉斯·斯佩曼（Hans Spemann）发现，一个胚胎的一小块移植到另一个胚胎上，可以诱导第二个身体轴，其中包括一个有组织的神经系统。在20世纪80年代，加州大学伯克利分校的约翰·格哈特（John Gerhart）和他的同事们发现了鸡蛋背腹（背对腹部）组织的起源，即鸡蛋内容物相对于其表面的旋转，这种运动打破了球形对称性。介导这种情况的基因在人类发育中起着类似的作用。其中许多基因是在1990年代发现的，这是威廉·史密斯和理查德·哈兰德在加州大学伯克利分校发现的第一个基因。在人类中，这些基因的突变会导致出生缺陷，而非洲爪蟾是研究这些遗传疾病的杰出模型。
值得注意的是，从非洲爪蟾卵中提取并放置在试管中的细胞质可以执行分裂细胞内发生的大部分事件。通过将这些提取物分成其组分分子，然后混合和匹配它们，研究人员研究了脊椎动物细胞中的许多基本过程。加州大学伯克利分校的Rebecca Heald使用这些提取物来了解控制有丝分裂纺锤体的组装和功能的蛋白质，有丝分裂纺锤体参与细胞分裂前的染色体的制备。
非洲爪蟾基因组是第一个将其基因组序列报告为完整染色体的两栖动物。为了实现这一壮举，研究小组利用了新的染色质相关测序技术以及用荧光标记对染色体进行详细的标记。
至少就目前而言，非洲爪蟾保持着基因最多的测序动物基因组的记录，有近5万个基因。但这一记录不太可能持续太久。与其他不同的青蛙物种一起，加州大学伯克利分校的团队目前正在对十二角兽类非洲爪蟾物种的基因组进行测序，该物种有12个染色体组，预计将是记录的近三倍。
由代表46个机构的74名科学家进行的非洲爪蟾基因组序列草案和全基因组分析工作得到了美国国立卫生研究院以及日本和荷兰政府的支持。
By Robert Sanders,