7亿年前，基因调控引发了古代海洋动物的进化

基因调控是一种天生的生物现象，它使生物体能够高精度地开关基因。

最近的发现正在改变科学家们对控制基因历史的理解。西班牙基因组调控中心（CRG）和国家基因调控中心（CNAG）对锥形水母和海绵进行的研究表明，远端调控 —— 从远处控制基因的能力 —— 在进化史上比以前想象的要早得多。

据估计，这种复杂的基因组机制是在6.5亿到7亿年前发展起来的，比之前认为的要早1.5亿年，接近动物生命的黎明。

“这种生物可以像瑞士军刀一样以不同的方式重新利用其基因工具包，使其能够完善和探索创新的生存策略。”我们没有想到这一层的复杂性如此古老，”该研究的第一作者Iana Kim博士说。

什么是基因调控？

基因调控是一种天生的生物现象，它使生物体能够高精度地开关基因。不太复杂的生物体是通过邻近的开关来关闭和打开DNA链内的基因，而更复杂的生物体通过复杂的DNA折叠成三维环来开发远程激活基因的机制。

能量昂贵的DNA和蛋白质的空间协调使得具有复杂分化程序的多细胞生物有可能在不完全重新连接基因组蓝图的情况下解锁细胞类型。

“通过观察奇怪的海洋生物，你可以发现很多新的生物学。到目前为止，我们一直在比较基因组序列。尽管如此，由于有了新的方法，我们现在可以分析哪些基因调节机制控制物种间的基因组功能，”ICREA研究教授Arnau Sebe-Pedrós解释说，他是该研究的通讯作者。

基因组时间机器

为了找出远端调控是何时以及如何发展的，研究小组研究了11个物种的3D基因组，这些物种代表了动物树的早期分支，包括淡海栉水母（Mnemiopsis leidyi）、海栉水母、扁盘动物、刺胞动物以及海绵动物等。

利用一种名为Micro-C的尖端技术，研究人员仔细研究了超过100亿个测序数据片段，该技术可以绘制DNA在细胞内的折叠方式。

结果是显著的：单细胞生物没有对基因进行长期控制的迹象，但许多早期分支的动物在它们紧凑的基因组中有数千个环。海核桃有4000多个DNA环，这是非常了不起的，因为它的基因组只有2亿个DNA字母，而人类的基因组有31亿个。

另一个令人惊讶的发现是，早期动物在没有CTCF的情况下实现了这种循环，CTCF是一种长期被认为对脊椎动物基因组折叠至关重要的蛋白质。相反，栉水母使用来自同一结构家族的不同蛋白质，这表明进化为同一问题找到了多种解决方案。

塑造现代生活

这一发现具有深远的影响。今天，尽管每个细胞中都有相同的DNA，但人类仍然依赖于远端调控来区分脑细胞、皮肤细胞和无数其他类型的细胞。

当这种监管体系失效时，可能会导致疾病。通过将其起源追溯到地球上最早的动物，科学家们获得了关于基因控制系统如何进化的关键见解，以及当它们崩溃时如何修复。

ICREA研究教授Marc a.Marti Renom总结道：“令人印象深刻的是，使用不同的工具解决了同样的问题。由于这项工作，我们知道你可以使用两种不同的蛋白质在太空中将远端DNA片段结合在一起，形成一个环。进化难道不神奇吗？”

这项研究发表在《自然》杂志上。

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