大规模基因比较助力系谱图研究

艾米丽·莫里亚蒂·莱蒙永远不会忘记她在研究生时建立青蛙谱系的努力。为了理解不同种类的青蛙是如何相互关联的，她需要评估尽可能多的DNA差异，但是时间和金钱极大地限制了她可以确定和测试的数量。“这令人沮丧，也没什么意义。”莱蒙说。最后，她没能获得足够的数据来建立一个令人满意的青蛙谱系。因此，2009年，当她和她精通电脑的丈夫艾伦·莱蒙开始在美国佛罗里达州立大学工作时，他们决定开发一种技术来减轻学生在做研究时的痛苦。他们开发了一套遗传标记，可以识别许多物种的DNA，从而为测量物种间的遗传差异和相关性提供了一套标准参考点。在过去的6个月里，这对夫妇在几个重要的化学会议上推广了这种方法，并把它命名为锚系统生成技术。他们的技术和类似的方法依赖于在多个物种的基因组中发现的标记集，从而简化了物种谱系的研究。“这令人惊讶。”康涅狄格州大学的分子分类学家克里斯·西蒙说，“你可以把时间花在数据分析上，而不是数据收集上。”通过更全面、更快速地收集系谱数据——几周而不是几年——这项新技术可以画出熟悉生物祖先的照片。目前，一个先锋小组已经重新绘制了爬行动物的谱系，揭示出海龟与鳄鱼的关系比蜥蜴更密切。最初，科学家根据生物的可见特征绘制谱系图，如四肢或鳍的数量和位置，或化石中下颚的形状。此后，遗传学家开始研究系统发育，生物学家通过物种间的DNA序列差异来确定物种间的遗传关系。然而，提取一些合适的基因或DNA区域需要数年时间。因此，太少的数据使得很难画出谱系图的分支。理论上，科学家可以简单地对不同物种的基因组进行排序和比较，但是这种方法对于微生物以外的生物来说仍然过于昂贵和复杂。莱蒙夫妇和其他人的技术提供了一个妥协。关键是识别许多物种共有的序列(研究人员可以使用特定的检测方法轻松捕获)。这些共享序列有时在不同物种之间非常相似，有助于建立谱系图。佐治亚大学的进化生物学家特拉维斯·格伦和加州大学洛杉机分校的进化生物学家布兰特·费尔布专注于超保守成分(UCES)——许多脊椎动物中几乎相同的100到200个DNA碱基。2012年初，费尔布在胎盘哺乳动物谱系图中证明了这一技术，该技术将多种物种分为正确的分支。今年，在《生物快报》上，他们发表了UCE对重新划分的爬行动物谱系的分析，揭示出海龟与鳄鱼和鸟类关系密切，而不是蜥蜴和蛇。他们还改进了鸟类谱系图。最近发表的对五种雨林鸟类的研究表明，这项技术可以在物种划分之初揭示鸟类的情况。莱蒙夫妇认为UCEs不是一个高度一致的标记，所以他们开始在特定的动物群体中寻找相似的序列，而不是相同的序列。在第一组标记中，他们将人类基因与鸡、绿色变色龙、西方爪蛙和斑马鱼的基因进行了比较，并确定了这些生物中的512个DNA序列是共同的。然后，他们用这些共同的序列资助一家公司制造数千种“脊椎动物基因标记”探针。这种探针适用于许多脊椎动物——包括莱蒙和他妻子研究的青蛙。艾米丽·莫里亚蒂·莱蒙通过使用探针获取和比较数百个DNA区域，最终可以建立一个可信的谱系图。2012年，她在加拿大渥太华的一次化学会议上做了相关报告。从那以后，莱蒙和他的澳大利亚合作伙伴创造了一个工具包，其中包括许多爬行动物和两栖动物的基因标记探针。“他们有一个非常简单的操作系统，任何人都可以进入这个伟大的程序获取数据。”列克星敦肯塔基大学的进化生物学家大卫·威斯洛克说。理论进化生物学家艾伦·莱蒙估计，他们现在有50名合作者，每周都有更多的申请进来。合作伙伴将提供他们已经制作了系谱图的生物DNA，而莱蒙夫妇将设计探针、测序DNA，并进行生物信息学质量检查和初步分析(每份样品的成本约为175美元)，以达成合作关系。2012年，他们经营了300个样品，估计到2014年，每年将经营5000个样品。其他研究人员正在考虑更多捕获基因序列的方法。乔治华盛顿大学的进化生物学家亚历山大·派伦认为，这种多样性正是我们对成功创新案例的期望。"与我们过去所做的相比，这项技术现在已经改进了几光年。"