乔中东
《现代遗传学——前沿与启迪》第17章 基因组与基因组学 压题故事:“塔克拉玛干最后的守望者”生存之谜 精选
2022-11-27 13:25
阅读:5486

说到基因组学,就离不开DNA测序 。早期DNA测序方法有两种,一种是MaxamGilbert 创建的化学裂解法,另外一种就是大家熟悉的Sanger的双脱氧终止法。1991年我在攻读博士学位的时候就开始了对cDNA克隆进行了测序。当时DNA测序,最大的工作量不是提质粒DNA,也不是做反应,而是擦洗玻璃,并用它制备厚度仅0.3 mm厚含8M尿素的聚丙烯酰胺凝胶。玻璃洗不干净,凝胶中就会有气泡,有气泡就得重来。每次为了准备320 cm60 cm长的这样的凝胶,需要花费我3个多小时的时间。第二天的电泳则需要8个小时,另外还有2个小时干胶过程。将电泳结果曝光在X光胶片上,再读出DNA序列,这样一个周期起码得4天的时间,最多能确定1500个碱基,当然还不一定每次都可以取得满意的结果。1992年的某一天,Hans-Peter让我去三楼微生物研究所拿a-S35 ATP,我看见大家都围在一台新机器前,我就问在那里工作的徐岗,这是什么机器,他告诉我说是测序仪:Pharmacia公司新出品的测序仪。有了这台机器,不仅可以节省擦洗玻璃的时间,也可以节省读片的时间,大大提高了工作效率。我和徐岗说,你们教授真有钱,可以买这么好的机器。他说,这是欧共体给的。当时徐岗正在参与一个欧共体的项目,测定酿酒酵母3号染色体的全部序列。这项工作,由欧洲共同体资助,由35家欧洲实验室及部分美国和日本的实验室的二百多位学者没明没夜地工作了近3年,才完成了315-Kb的碱基的测定工作。徐岗告诉我,假如这台机器能够早来一年,他们的工作效率会更高一些。酿啤酒酵母菌3号染色体是所有生物中第一个完成全部测序的染色体。这之后就有了人类基因组计划,同时,由中国科学家主导的水稻基因组计划也在紧锣密鼓地进行着。随着人类基因组计划的完成,测序的手段和技术也在不断完善。荧光标记技术替代了同位素标记技术,使测序更为安全了。PCR技术、毛细管电泳技术、图像识别技术、激光技术等综合到一起,使测序更加快捷方便了。紧接着下一代测序技术(next generation sequencingNGS)、DNA芯片技术让大规模的测序走入每个实验室成为了可能。再后来单分子测序技术很好地弥补了NGS技术读长短等弱点。

人类基因组计划穷尽了6个国家科学家的洪荒之力,耗时13年,花费了27亿美金,才得以完成。现在测定一个人的基因组仅需要几百元人民币,几周时间连生物信息学分析也可以完成了。上海交通大学农业与生物学院唐克轩教授,为了提高青蒿素的产量,从2013年开始,花了近五年时间,完成了比水稻基因组大四倍的青蒿的复杂基因组测序,搞清楚了青蒿素的生物合成途径和调控机制,有望将青蒿素的含量从占青蒿叶片干重的0.8%提高到4%。

为了保护濒危野生动物,科学家们还测定了大熊猫的基因组,对大熊猫的食性演变、生殖能力、种群分化等进行了探讨。而上海交通大学农业与生物学院孟和教授领衔的研究团队则对另外一种濒危动物:野生双峰驼基因组进行了测定和系统分析。这些工作对野生动物保护和品种改良起到重要指导和积极推动作用。下面,我们就看一下孟和教授团队的工作:

“塔克拉玛干最后的守望者”生存之谜

目前,野生双峰驼(Camelus bactrianus ferus,图 17-1)数量不足 1000头,其栖息地缩小到目前塔克拉玛干沙漠边缘的罗布泊戈壁和阿尔金山北麓等几处狭小的干旱地区,被誉为“塔克拉玛干最后的守望者”,其珍贵程度不亚于大熊猫。

 图17-1.png

17-1 生存在极端寒冷与干旱气候中的野生双峰驼

20 世纪末,基因组学(genomics)研究的兴起,为全面考查生物的遗传特性提供了解决方案。2012 年,由上海交通大学农业与生物学院孟和教授领衔,内蒙古农业大学、中国科学院上海生命科学研究院、南开大学等33个研究单位组成项目组,对一头8岁的雄性野生双峰驼及一头6岁的雄性家养阿拉善双峰驼进行全基因组序列测定和系统分析。结果表明,双峰驼全基因组大小为2.38Gb,共编码20 821个基因;系统进化分析显示,双峰驼与牛遗传关系最近;与牛相比,双峰驼糖类与脂类相关的能量代谢基因处于加速进化状态,特别是胰岛素通路及脂肪代谢因子相关基因的适应性进化,可能可以解释双峰驼高胰岛素抗性,以及在沙漠中脂肪存储及使用的特性;与野生双峰驼相比,在人工选择的情况下,家养双峰驼嗅觉相关的基因杂合率显著降低,而野生双峰驼则保持着嗅觉基因较高的杂合率,可能使其在恶劣环境下采食特性保持了丰富性,更有利于其生存。对全基因组的分析还发现双峰驼细胞色素P450超家族中的CYP2J的编码基因 11个拷贝,远高于其他哺乳动物,而由CYP2J参与代谢的产物能显著舒张血管、调节血压,可能解释了双峰驼在只饮用盐碱水的情况下仍能保持血压正常。通过基因组分析也解释了双峰驼抗体具有天然单重链的原因。

双峰驼全基因组图谱的成功绘制和破译,为解释其在极端环境下生存能力的分子机制提供了重要参考,并对野生骆驼保护和家养骆驼品种改良起到重要的指导和积极的推动作用

 

转载本文请联系原作者获取授权,同时请注明本文来自乔中东科学网博客。

链接地址:https://wap.sciencenet.cn/blog-616948-1365509.html?mobile=1

收藏

分享到:

当前推荐数:9
推荐到博客首页
网友评论0 条评论
确定删除指定的回复吗?
确定删除本博文吗?