Nature:鴨嘴獸和針鼴基因組

產卵的哺乳動物（單足類）是現存的僅次於人類（有袋動物和歐亞動物）的哺乳動物種群，並提供了有關哺乳動物進化的重要見解。來自Nature的一項最新研究，組裝並分析了鴨嘴獸（Ornithorhynchus anatinus）和澳洲針鼴（Tachyglossusaculeatus）的參考基因組，它們代表了僅存的兩個極端物種。

這兩個物種的基因組使基因組能夠檢測出祖先和譜系特有的基因組變化，這些變化既影響了單體進化又影響了哺乳動物的進化。分析表明，最極端的性染色體複合體起源於祖先的染色體環構型。這樣的獨特染色體複合體的形成可能已經由人類常染色體同源物共有的多X和多Y染色體之間異常廣泛的相互作用所促進。進一步的比較基因組分析揭示了單孔目動物和獸類在觸珠蛋白基因、泌乳基因和嗅覺和味覺化學感受器基因方面的顯著差異，這些基因是單孔目動物生態適應的基礎。

 

Figure 1單孔動物和哺乳動物基因組進化的染色體組合

研究者結合了PacBio的long reads，10XG，Hi-C和物理圖譜數據，組裝鴨嘴獸基因組。研究者還對針鼴進行了相對不太連續的組裝，這使研究者能夠推斷出單孔目動物和其他哺乳動物祖先的基因組變化。

 

系統基因組重建顯示，單孔目動物大約在1.87億年前從獸類分化，而兩個單孔目動物大約在5500萬年前分化。這一估計提供了單孔目獸類分化的時間，比先前的估計(大約2100萬年前)更早，但與最近對少數基因和化石證據的分析一致。研究者還推斷，與其他哺乳動物相比，單孔目動物具有相似的基因組替換率(每百萬年每個位點大約2.6×10 - 3個替換)。大約14 Mb的哺乳動物的特定高度保守的元素被識別相比之下在脊椎動物:大約90%的元件位於非編碼區域，相關基因在大腦發育等過程中富集。

接下來，利用人類、負鼠、袋獾、鴨嘴獸、雞和普通壁虎的染色體信息來重建哺乳動物祖先的核型。該分析顯示了30條哺乳動物祖先染色體(MACs) (2n = 60)，解析度為500 kb，覆蓋了約66%的人類基因組和67%的鴨嘴獸基因組。其中，25個MACs在獸類祖先的單個染色體上沒有斷裂，其中17個MACs與獸類的其他MACs融合。16 個MAC仍保持在一個人類的染色體,但只有MAC28沒有經歷任何染色體內重組期間therian進化。

Figure 2鴨嘴獸性染色體的起源與進化

與常染色體相比，鴨嘴獸的性染色體在減數分裂期間和減數分裂之後表現出不尋常的相互關聯。Hi-C數據顯示，Y2和Y3染色體之間頻繁發生相互作用，而常染色體的相互作用主要局限在染色體內。FISH發現，Y2和Y3染色體的信號重疊頻率(5.2倍和7.6倍)高於Y2染色體與X1或Y2染色體與常染色體(17號染色體)之間的信號重疊(P分別為8.67×10−4和8.57×10−5)。這些相互作用使研究者能夠預測性染色體在間期的z字形三維構象。針鼴也出現了類似的模式。值得注意的是，高相互作用頻率在人類同源常染色體區域是保守的。表明功能的重要性與性染色體的進化或功能無關。

Figure 3鴨嘴獸性染色體之間的相互作用

 

完整和準確的參考基因組和注釋對於進化和功能分析是至關重要的。以產生一個高度精確的染色體水平組裝，特別是分化的性染色體，仍然是一個不小的挑戰。研究者利用單分子測序技術和多種物理繪圖方法的組合，將大部分序列分配到染色體規模的組裝，產生了高質量的鴨嘴獸基因組。這使得能夠更好地分析單孔目動物進化出的複雜的性染色體系統的起源和多樣化。研究描述了鴨嘴獸和針鼴在感覺系統、血紅蛋白降解和繁殖方面的古老和譜系特異性的變化，這些變化代表了鴨嘴獸和針鼴的一些最迷人的生物學特性。這兩個物種的新基因組將使我們能夠進一步了解它們的創新以及這些非凡的卵生哺乳動物的生物學和進化。

 

文獻來源

Zhou, Y., Shearwin-Whyatt, L.,Li, J. et al. Platypus and echidna genomes reveal mammalian biology andevolution. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-020-03039-0