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研究发现鹿具有抗癌基因,中国在基因测序领域日益领先

作者:苏艳 2019-07-12 10:59

2009年,斯坦福大学的生物工程师Peter Yang正在阿拉斯加德纳里国家公园庆祝他和妻子的结婚纪念日。一位公园导游说他们看到的鹿每年脱落鹿角时,能以每天近一英寸的速度重新长出来新的鹿角,他的思绪立马飘回帕洛阿尔托实验室。他一直致力于为那些曾经发生过严重事故或因疾病骨组织退化的人再生骨组织。如果他能制造出和鹿角生长速度一样快的人造骨移植物呢?

 

于是,Yang开始了为期10年的反刍动物生物学研究。他前往加利福尼亚州的一个养鹿场,收集鹿角组织样本,研究复杂的骨骼、活细胞和神经末梢结构如何在一个季节内生长到50英寸(约1.54厘米)。最终,他和他的同事们找到了一些基因,这些基因与这种鹿角的再生有关。在当时,还没有人对鹿的基因组进行测序,一个国际研究团队刚刚破译了第一头牛的基因组,而中国科学家要破解山羊和绵羊的DNA还需要很多年,这项研究变得艰难而耗时。在测序费用仍然昂贵的年代,更多的外来反刍动物并不是被优先考虑进行测序的。

 

今年6月20日,一个由中国牵头的科学家团体报告了他们绘制44种反刍动物基因组的工作,这些反刍动物包括塞伦盖蒂平原的瞪羚和水牛、生活在亚洲丛林中的微小的牛,以及在北极冰雪覆盖的平原上跋涉的驯鹿。他们发表在最新一期《Science》杂志上的论文是反刍动物基因组计划(Ruminant Genome project)的首个成果——逾40万亿对碱基对数据集,这显示出中国在基因组研究领域日益成为全球领导者。


对于更好地了解反刍动物如何在不同环境中成功定居六大洲的进化生物学家以及希望将这种适应性优势引入驯养畜群的家畜育种者而言,这一重要的科学里程碑对于进化生物学家来说是一个福音。这些基因资源对像YANG这样的生物医学研究人员也很有价值,它提供的线索可能有一天能帮助人类更快地痊愈,抵御癌症,甚至在太空中过上更健康的生活。

 

“意义将是巨大的,” YANG说,他没有直接参与反刍动物基因组计划,但他审阅了该小组的一篇论文,并撰写了一篇相关的观点文章。“这不仅解决了这些物种如何进化并在家谱上融合在一起的未解决问题,而且还为未来的影响创造了很多潜力。请记住,存在于牛、山羊、鹿和绵羊身上的很多基因也存在于人类身上。”

 

当YANG专注于弄清楚为什么鹿角长得如此之快,或许是为了帮助患有骨质疏松症等骨质流失疾病的人,其他研究人员可能更感兴趣的是,如此快速的鹿角增长为何不会变成恶性肿瘤。根据费城动物园和圣地亚哥动物园的记录,反刍动物患癌症的几率是其他哺乳动物的五倍。这使得反刍动物基因组计划的研究人员假设,这导致研究人员假设反刍动物的任何遗传都适应进化,从而保持其鹿角再生,同时也起到了防止癌症发展的保护作用。

 

通过将DNA序列数据与来自鹿、山羊和绵羊的基因表达谱相结合,反刍动物基因组计划的科学家们发现了一些共同作用的基因,即使它们每年在头上长出几磅新的组织,这些基因也可以使这些物种不患癌症。确切了解它们是如何运作的需要做更多的工作。但在鹿群中发现了一种抑癌基因,帮助鉴定该基因的五名科学家已经申请了一项中国癌症治疗专利。

 

这些科学家中包括中国西安西北工业大学的遗传学家王文。十年前,王文是第一批对山羊和绵羊进行测序的先驱者之一。当时,他与全球最大的测序机构——北京工业大学深圳分院(BGI-Shenzhen)接洽,商讨组建一个联盟来研究反刍动物。当时,由于资源和技术限制他们只能完成对农业重要的物种的研究。但王文一直希望能扩大研究范围。

 

2015年末,他终于得到了这个机会,当时NPU为他提供了启动这个项目的资金,以及一台超级计算机,帮助他完成组装数万亿串遗传密码。他与世界反刍动物专家之一、哥本哈根大学的Rasmus Heller合作,到2016年初,反刍动物研究已经开始运转。王文招募了一些曾经在山羊和绵羊基因组研究方面提供过帮助的博士生,他们现在正在运行他们自己的实验室,最后有20多个机构(主要是在中国)为这个项目做出了贡献。

 

最大的挑战之一是他们想要从纳入研究的所有物种中获得足够的遗传物质。Heller在丹麦的人脉关系使该组织获得了大量的组织样本,其中包括几十只野生牛科动物,但Heller说,其中一些组织样本无法提取足够的DNA来测序。因此,他们与一个名为“地球生物基因组计划”(Earth BioGenome Project)的更大规模的全球测序项目合作,以获得更多的物种。对于其他人,他们把研究人员派到蒙古的驯鹿农场,向动物园询问稀有条纹羚羊的皮肤样本,并向保护基金会请愿,希望得到受到严重威胁的瞪羚的一小部分。他们并没有把所有的物种都编入目录——麝香羚和一种叫做lechwe的半水栖小羚羊证明太难。但是,Heller说,该数据集已经能够满足很高的研究需求,有助于在人口生态学和保护方面开展新的项目。“我希望这将成为这些物种基因组研究的黄金时代。”

 

在发表的一篇科学论文中,Heller和王文以及他们的同事揭示了驯鹿如何在一年中的大部分时间里应对如此低的光照水平。除了进化超强的维生素d代谢基因来帮助它们获取更多的钙,它们还获得了控制其生物钟的基因的许多独特突变。更多地了解这些适应性可以帮助科学家更好地理解和治疗季节性情感障碍,甚至可以设计药物帮助前往火星的宇航员调整他们的昼夜节律,以适应更长的夜晚。

 

Harris Lewin是加州大学戴维斯分校(University of California Davis)的一位进化遗传学家,负责协调“地球生物基因组计划”(Earth BioGenome Project)。该计划的部分工作涉及修补来自全球的数十个更小,更集中的测序工作。Lewin所看到的趋势是,这些测序项目的大部分资金和领导地位现在都来自中国和欧洲。“其他所有人都在努力生产高质量的序列,而我们开始落后了,”Lewin说。“反刍动物基因组计划(Ruminant Genome Project)是一个很好的例子,说明中国一直以来都是很好的合作者,现在正处于领先地位。”

 

文章来源:https://www.wired.com/story/wildebeest-okapi-giraffe-ibex-come-peruse-their-genomes/

(编译:苏艳)


注:文中如果涉及35斗记者采访的数据,均由受访者提供并确认。

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