【科學普及】「孤獨喬治」的DNA,揭示了抗癌和長壽相關基因

2021-01-18 細胞世界

圖1 孤獨的喬治



孤獨喬治（Lonesome George），是一隻平塔島象龜的名字。它身份特殊，是平塔島象龜（Geochelonenigraabingdoni）中已知的最後一個個體，該亞種屬於生活在加拉帕戈斯群島的加拉帕戈斯象龜（Galapagos tortoise）的11個亞種之一，被認為是世界上最稀有的動物，也是加拉帕戈斯群島乃至全球物種保護的象徵之一。


從1971年被發現到2012年確認死亡，孤獨喬治在世界上生活了約100年。它的死亡，宣告屬於加拉巴戈斯象龜平塔島亞種的「孤獨喬治」物種永遠地從地球上消失了。


象龜是為數不多的能存活上百年的爬行動物類群。科學家自然要追問——為何象龜能有這麼長的壽命？為何其他生命卻只能存活十幾年甚至幾個月？


       儘管「孤獨的喬治」所屬物種已經不復存在，但它和其他加拉帕戈斯巨型陸龜仍為長壽研究提供了基因水平的線索。


圖2 美國自然歷史博物館中「孤獨的喬治」的標本


衰老不可避免，但它是如何發展的呢？


細胞衰老，是生命體衰老和死亡的基礎。要闡明機體衰老的機制，我們必須從研究細胞衰老的機制開始。


研究顯示，衰老的主要特徵包括：

基因組穩定性下降；

衰老細胞的積累；

細胞分裂過程中端粒的損耗；

DNA甲基化等表觀遺傳的改變；

蛋白質內穩態的喪失；

線粒體功能喪失；

炎症等細胞間的異常作用；

幹細胞損耗；

營養感知的放鬆管制。


如果我們有方法抑制或延緩以上的一個或幾個進程，就能起到抗衰老的作用。


       因此，科學家將比較基因組分析（即利用自然選擇的機制來尋找與複雜性狀和過程相關的基因和生化途徑）技術應用於長壽哺乳動物的基因組中，以此揭示在調節與年齡相關的疾病中發揮重要作用的信號和代謝網絡。


圖3 細胞衰老的幾大特徵



近年，美國耶魯大學的科學家採用「孤獨的喬治」和一隻阿爾達布拉象龜的血液樣本進行了基因組測序。通過與其他近緣種的基因組進行比較，他們發現這些象龜擁有許多與DNA修復、免疫應答和癌症抑制相關的基因變異，而這些變異是其他壽命較短的脊椎動物所不具備的（相關論文在線發表於《自然—生態與進化》，Nature Ecology & Evolution）。


圖4 象龜基因組分析的特性分類


該研究小組發現，象龜基因組中有43個基因在其進化過程中受到了特異性的正向選擇，其中包括微管蛋白骨架相關基因TUBE1和TUBG1，胞內囊泡運輸基因VPS35——而微管蛋白對於保持細胞形狀、運動、胞內物質運輸有著不可或缺的作用；


更為重要的是，這些正向選擇的基因還包括AHSG、FGF19和TDO2，其表達水平與人類老齡化相關。其中，TDO2基因編碼是犬尿氨酸途徑中負責降解色氨酸的第一個酶，具有調節年齡相關的蛋白質穩態的功能。TDO2被認為在衰老和年齡相關的神經系統疾病，如阿茲海默症及帕金森中能夠發揮重要作用——通過抑制TDO2，可以延長動物壽命。


我們知道，免疫系統是防禦病原體入侵最有效的武器，它具有識別和排除抗原性異物、與機體其他系統相互協調，共同維持機體內環境穩定和生理平衡的功能。在許多物種中，免疫功能作為進化驅動因素，承受著強大的選擇壓力並且在衰老及相關疾病中發揮起了重要作用。它可以清除衰老細胞、提高機體免疫力以及遠離癌症威脅，是對抗衰老的主力軍。


研究人員分析了與免疫系統相關的891個基因，發現正向選擇的調節免疫力的基因也在象龜中廣泛存在並表現出多個拷貝的情況，其中細胞毒性T淋巴細胞相關基因的擴增可以抵抗病原體和癌症發生。


長壽生物在理論上面臨更高的癌症風險，但是，研究人員發現龜類的腫瘤抑制基因較其他脊椎動物有所擴張，例如SMAD4、NF2、PML、PTPN11和P2RY8等基因存在重複現象。另外，象龜基因的特異性複製對兩個原癌基因MYCN和SET造成了影響——已知SET複合物會導致線粒體損傷，是細胞凋亡的第一步。


圖5 象龜長壽和抗癌相關基因


研究人員還發現，象龜中一些參與DNA損傷修復的基因及保持DNA穩定的基因也發生了重複，例如NEIL1、RMI2和XRCC6基因。其中XRCC6基因在象龜和裸鼴鼠中都發生了突變，而裸鼴鼠又恰恰是最長壽的齧齒動物，這表明了一個可能的趨同進化過程。


端粒，是存在於染色體末端的一段DNA蛋白質複合體，有助於保持染色體的完整性和控制細胞分裂周期。細胞分裂次數越多，其端粒損耗越多，細胞壽命越短，因此端粒損耗和衰老之間存在很強的關聯。研究人員發現了象龜中的DCLRE1B基因的一個突變，該突變可能影響其和端粒重複結合因子2（TERF2）的結合。DNA損傷修復和端粒相關基因的突變，可能共同影響端粒動力學過程，進而影響龜的壽命。


圖6 象龜中的DNA修復反應



龜鶴延年。在我國，民間歷來就將龜視為一種寓意長壽吉祥的動物。對於衰老機制的研究，實在關乎動物及人類的福祉。


研究人員表示，對孤獨喬治基因測序的研究揭示了與延長壽命相關的特定進化策略，並擴展了人們對衰老的基因組決定因素的理解。同時，這些新的基因組序列也為恢復象龜種群提供了重要的資源。從這個角度來說，喬治又並非全然是「孤單」的。


參考文獻

Wikipedia. Lonesome George.https://en.wikipedia.org/wiki/Lonesome_George.

López-Otín C, Blasco M A, Partridge L, et al.2013. The hallmarks of aging. Cell, 153(6), 1194-217.

Quesada V, Freitas-Rodríguez S, Miller J, et al. 2019. Giant tortoise genomes provide insights into longevity and age-related disease. Nature Ecology &Evolution, 3(1), 39-44.


作者簡介：

蔡炎林，兩棲爬行動物科普基地




相關焦點

  • 基因測序揭開「孤獨喬治」巨大且長壽之謎
    根據英國《自然·生態與演化》4日在線發表的兩篇論文，美國耶魯大學科學家新近展開的基因組測序，促進了人類對兩種巨型陸龜（包括全球物種保護的重要象徵——「孤獨喬治」）體型、長壽和演化之路的了解，並有助於挽救其它瀕臨滅絕的相關物種。
  • 基因讓「孤獨喬治」巨大長壽—新聞—科學網
    本報訊 近日發表的兩篇論文顯示，基因組測序促進了科學家對兩隻巨型陸龜（包括「孤獨喬治」）體型和長壽的了解。
  • 追隨「孤獨喬治」的腳步,揭開巨龜「長壽」的謎因!
    ▲圖：Galapagos Conservancy2018年12月3日，科學雜誌《自然生態學與進化》（Nature Ecology & Evolution）發表了一項研究——《探索喬治長壽的秘密》，揭秘了巨龜的長壽遺傳基因。
  • 孤獨喬治雖然走了,它的DNA卻正在幫助科學家們破解長壽的秘密…
    （無論這隻孤獨的動物經歷過什麼，他總是在提醒我們，地球上所有生物的命運都掌握在人類手中！）-這句話刻在孤獨喬治圈養地的圍欄上。孤獨喬治的存在與離去，不僅為人類解開長壽密碼帶來了新的希望，同時也加深了全世界人民對於生物多樣性保護的認識，它似乎成為了物種多樣性保護運動的象徵。
  • 寂寞喬治的長壽秘訣
    寂寞喬治得名於他是其物種中，當時唯一的倖存者，生前他生活在加拉帕戈斯島平塔島上，而島上剩下的最後一隻巨龜就是他，他也因此出名。2012年他去世時大約有100歲。為了解開巨龜的長壽秘訣，研究人員現在已經對他的基因組和一種生活在印度洋阿爾達布拉環礁上的不同種的巨龜的基因組進行了測序。
  • 永遠的巨人孤獨喬治
    因此，研究中心找來兩隻隔壁島嶼Isabela島上的Volcan Wolf亞種雌龜與孤獨喬治作伴，希望能繁殖出後代， 因為這兩隻雌龜在基因上最接近Pinta亞種，但是孤獨喬治可能因為年老或是長期未交配，生殖能力已經退化，專家也曾經進行人工授精，但是雌龜多次產下的卵都未成功孵化。 註定孤獨喬治極可能孤獨一生。
  • 象龜「孤獨的喬治」不孤獨:DNA研究或助其恢復種群
    導語：象龜「孤獨的喬治」在今年6月離世，人們認為這代表著一類象龜亞種的最終滅絕。一項由美國耶魯大學進行的DNA研究顯示，「孤獨的喬治」的後代可能仍然生活在南美洲厄瓜多的加拉帕格斯群島上。
  • 象龜「孤獨喬治」後繼有人?
    「孤獨喬治」孤獨而終1971年，一位美國動物學家找遍平塔島，只發現了一隻年齡在60歲到90歲的平塔島象龜，這隻雄性象龜沒有任何同類相伴了。動物學家給它起了個名字叫喬治，後來人們習慣上叫它「孤獨喬治」，表示它是平塔島象龜最後的一隻。許多公眾希望讓這個珍稀的物種存活下去，有人還懸賞1萬美元，獎給發現一隻雌性平塔島象龜者，希望給雄性的喬治找個配偶。
  • 「孤獨喬治」之死 | 歷史
    當人們突然意識到問題的嚴重性時，島上的加拉帕戈斯象龜僅剩下大約3000隻，有的亞種已經滅絕，而平塔島象龜的家族中只有一隻個體倖存了下來，它就是「孤獨喬治」。　　「孤獨喬治」逃過了死亡的威脅，成為了平塔島象龜中的幸運兒，可它也成為了這個亞種的孤兒。
  • 「孤獨喬治」之死 歷史
    2012年的今天，享年約100歲的「孤獨喬治」孤獨地走了，它沒有妻子，沒有子嗣，也沒有同類朋友。「孤獨喬治」的謝幕，標誌著平塔島象龜這一亞種從此告別這個星球。幾百年前，位於東太平洋的加拉帕戈斯群島曾是象龜的天堂。
  • 孤獨的喬治
    它走紅，因為它標榜自己是上個月死掉的巨星象龜——「孤獨喬治」的後繼者。但是，這確實只是噱頭：「孤獨喬治」於2012年6月24日去世，享年約100歲，無子嗣，無妻，無同類。「孤獨喬治」死了，意味著加拉帕戈斯群島平塔島亞種陸龜或已絕跡。
  • 別了,「孤獨喬治」
    喬治一直很孤獨，事實上，它只能孤獨。    在壽終正寢之前，這隻加拉帕戈斯雄性象龜是其所屬平塔島亞種的最後一個倖存者。它棲息在厄瓜多國家公園裡，享受飼養員的哺育和遊客們的驚嘆。
  • 基因晶片技術是用來讀取dna分子的基因,優勢是培養細胞
    基因晶片技術是用來讀取dna分子的基因的，優勢是無需體外體內培養細胞，只需要利用細胞核酸展示培養的酶可以將人體細胞核中基因序列複製到細胞中，與原核細胞核酸片段一一對應。基因晶片具有良好的穩定性、可重複性、高解析度、高重複性、無菌等。比如可以分析人類的癌症基因，能將癌症基因區域的基因突變（如brca1、brca2、kras、s180、s280等）靶向性分析出來。
  • 昆明動物所發現裸鼴鼠的抗癌特性與長鏈非編碼RNA密切相關
    近日，中國科學院昆明動物研究所孔慶鵬課題組研究發現裸鼴鼠的抗癌特性與長鏈非編碼RNA密切相關，相關成果發表在《表觀遺傳學與染色質》（Epigenetics & Chromatin）上。昆明動物所博士研究生江建軍為文章的第一作者，研究員孔慶鵬和副研究員何永捍為文章的並列通訊作者。
  • 全基因組關聯的meta分析研究確定了多種長壽基因
    | 作者：範大志 （佛山市婦幼保健院）近日，德國馬克思·普朗克老化生物研究所（Max Planck Institute for Biology of Ageing）的Deelen J研究者們，通過全基因關聯meta分析的方法確定了多個人類長壽基因位點及相關基因
  • 尹玉新團隊發現抗癌基因 PTEN 家族新成員 PTENβ
    尹玉新團隊發現抗癌基因 PTEN 家族新成員 PTENβ 來源：生命科學聯合中心   發布者：左麗媛   日期：2017-03-27   今日/總瀏覽：6/
  • 專家破解大白鯊全基因組 發現抗癌進化機制
    中新網2月20日電 據香港《星島日報》報導，日前，一個國際科研團隊破解了大白鯊的全基因組，發現其依靠在進化過程中產生的基因序列變化，獲得了一種抗癌能力，壽命可長達七十歲。　　美國諾瓦東南大學和康奈爾大學的研究人員18日在美國《國家科學院學報》發表論文說，大白鯊體型龐大，身長五至六米，體重可超過三噸，壽命可能超過七十歲，而其基因組大小是人類的1.5倍。　　理論上說，壽命長久及體型大而造成的細胞數量增加，會在統計學上增加動物患癌的概率。但實際上，大體型動物患癌的概率並不比人類更高，這表明它們進化出了抗癌機制。
  • 世界最後一隻加拉帕戈斯象龜孤獨的喬治去世
    （2009年3月18日的「孤獨喬治」）（「孤獨喬治」）據報導，這隻年邁的烏龜名叫「孤獨的喬治」(Lonesome George)，它還被認為是最後一隻加拉帕戈斯象龜，它在該公園待了有近40年，曾因對異性缺乏興趣令公園苦惱不已，該公園多次促使它與類似龜種雌性龜交配都以失敗告終
  • 矮個子有長壽抗癌基因
    美國研究人員發現，矮個男性可能擁有一種與長壽相關的基因。夏威夷大學約翰·伯恩斯醫學院的威爾科克斯教授和同事們研究了8000多名日本裔美國人近50年的健康信息後得出上述結果。 所有研究對象出生於1900年至1919年，大約1200人的壽命超過90歲甚至100歲，將近250人存活至今。研究人員把研究對象分成兩組，一 組身高為1.56米及以下，另一組為1.62米及以上。
  • 孤獨已經寫入我們的 DNA:35% 的孤獨寂寞來自基因遺傳
    北京時間1月24日消息，據國外媒體報導，目前，科學家最新一項研究表明，孤獨已經寫入我們的DNA，它具有一定的遺傳性，人們的孤獨感35%來自於基因遺傳。加拿大西安大略大學研究作者表示，這些基因仍然對我們周圍世界產生反應，因此你的DNA並不一定會讓你感到孤獨。