研究人员比较了 240 种不同哺乳动物的基因组，包括 Balto：NPR

今天地球上生活着大约 6,500 种哺乳动物。 图片来源，从左到右：John Moore/Getty Images； Yoshikazu Tsuno/AFP 来自 Getty Images； Koichi Kamoshida/盖蒂图片社； 宝拉布朗斯坦/盖蒂图片社

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甚至在大约 6500 万年前恐龙时代以大规模灭绝告终之前，哺乳动物就已经获得了适度但稳固的立足点。

这只是对 240 种不同哺乳动物的 DNA 进行仔细检查的结果之一，这是一项雄心勃勃的努力，旨在了解产奶和产毛的哺乳动物（包括人类）如何进化到拥有如此令人眼花缭乱的大小、形状和特殊特征能力。

科学家们知道大约有 6,500 种现存哺乳动物，它们几乎栖息在地球上的每一个环境中——从寒冷的海洋到高原沙漠。 这个国际项目叫做 动物源性，目的是从整个哺乳动物家谱中收集遗传物质。

研究人员从驯鹿、犰狳、蝙蝠和野牛等各种哺乳动物身上获得了 DNA。 基因动物园最终包括了 52 种濒危物种，例如巨型水獭和亚马逊河豚，以及黑猩猩和人类等灵长类动物。

“我们仍然只关注哺乳动物的一小部分，但这是我们做过的最大的项目，”他说 埃莉诺·卡尔森，麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所脊椎动物基因组学组主任，他指出 80% 的哺乳动物家族都在他们的组中。

在确定了构成每个物种遗传密码的化学“字母”序列后，研究人员随后“对齐”了这些序列，以便对它们进行全面比较。 这使他们能够识别在数百万年的进化过程中没有改变的基因组区域，表明它们包含制造哺乳动物的基本生物学指令。

他们还能够梳理出哺乳动物物种之间的遗传差异，从而使他们能够探索冬眠能力或高度敏感的嗅觉等独特特征的可能遗传基础。

“事实证明，南美洲有一种奇怪的小啮齿动物，似乎没有人知道它，它有大量的基因和嗅觉受体，”卡尔森说。 “这有点表明我们只要看看一切就能发现什么。”

迄今为止，她和她的同事已经在该期刊上发表了 11 篇研究报告 科学 这说明了他们最初的一些努力，即在基因层面上，究竟是什么造就了哺乳动物。

有趣的是，他们发现了一些关于哺乳动物如何， 智人被开发成拥有如此独特的大脑——哺乳动物可以推理和设计复杂的计算程序来比较和对比所有这些遗传密码中的大量数据的那种大脑。

当哺乳动物开始出现时

长期以来，科学家们一直在争论哺乳动物究竟何时首次出现在地球上，以及它们如何以及为何开始多样化，最终定居在几乎所有可能的栖息地，体型从小蝙蝠到巨鲸不等。

“事实是，从进化的角度来看，我们对哺乳动物的了解不如我们对鸟类如何分化的了解，”他说。 妮可福利 来自德克萨斯 A&M 大学。

她解释说，过去许多研究人员利用化石记录坚持认为所有真正的哺乳动物活动都发生在非鸟类恐龙大规模灭绝之后。

但是，这种新的大量哺乳动物 DNA 集合让 Foley 和她的同事有机会以不同的方式看待这个问题，通过分析所谓的中性进化位点，其中遗传密码随时间的随机变化可以作为一种时钟。 .

“有了所有这些数据，我们就可以得出更准确的哺乳动物多样化时间表，”Foley 说。

他们所看到的表明第一批哺乳动物正在恐龙的脚下疾行——尽管这些哺乳动物还没有机会起飞。

“哺乳动物的进化在白垩纪时期开始缓慢，但它就在那里，”福利说。 “哺乳动物是白垩纪特有的。”

他说，这些生物可能很小，数量也很少，但它们是从蝙蝠到灵长类动物的所有物种的祖先。 比尔墨菲, 同样来自德州农工大学。 “一旦恐龙消失，它们才开始看起来像现代蝙蝠和现代灵长类动物，”他说。

从冬眠到冠军犬

今天的哺乳动物有许多共同特征，但它们在重要方面也有所不同。 例如，只有一些动物可以冬眠，卡尔森认为这是一项很棒的活动。

“基本上，动物会变得肥胖，爬进洞里，连续几个月不动。然后它们会减掉所有的体重，然后出来，没有血栓，没有中风，也没有糖尿病，”她说。

这就是为什么研究人员做的第一件事就是将冬眠物种的遗传密码与其非冬眠亲属进行比较。 “我们最终发现了一些与一些有趣特征相关的基因，包括衰老，”卡尔森说。

研究人员还尝试使用哺乳动物 DNA 收集的信息，看看他们是否可以做出预测，例如探索哪些物种可能对大流行性冠状病毒敏感。 他们的一些预测，例如鹿受到影响的可能性，已经被证明是成功的。

加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的一组研究人员使用这个数据集以及数百个现代狗的基因组，试图找出关于过去一只非常特别的狗的一些信息。

他们从一只名叫 Balto 的雪橇犬身上收集了 DNA，这只雪橇犬因在 1925 年白喉爆发期间帮助运送珍贵药物穿越阿拉斯加而闻名。他的雕像矗立在纽约市的中央公园，他的标本陈列在克利夫兰博物馆中。

事实证明，与现代犬种相比，Balto 更像是一种犬种，并且可能具有帮助他在极端条件下保持活跃的适应能力。 例如，他有与关节形成和皮肤厚度等相关的基因变异。

人们缺少什么

人类的独特性长期以来一直让科学家着迷，研究人员将人类 DNA 与我们的近亲、黑猩猩以及其他物种的 DNA 进行了比较，以试图弄清楚是什么让人类大脑与众不同。

斯蒂芬莱利 耶鲁大学医学院的一位教授说，他和他的同事们想知道人类缺失了哺乳动物 DNA 的哪些组成部分。

“我们问，‘在数百万年的进化过程中发生了什么，如果你看海豚、狗或驴，它都在那里，但突然间在人类身上——噗！ – 我们是，”莱利解释道。

他们发现了大约 10,000 位在大多数其他哺乳动物而非人类中发现的 DNA，并且这些缺失中的大部分发生在被认为位于调节区域的遗传密码部分，在那里它们可以像调光开关一样调高其他基因的活性或向下。

Reilly 说，许多人类特有的缺失发生在与大脑发育相关的基因附近，但尚不清楚哪些可能真正起作用。

因此，他的团队随后对多种细胞类型进行了实验，以了解哪些缺失实际上会导致基因活性发生变化。 他们发现了大约 800 个案例，其中人类版本的 DNA 产生了与黑猩猩版本不同的结果。

当他们从人类神经系统中取出一个细胞并将删除的 DNA 片段重新添加进去时，他们有时会看到广泛的影响。 例如，他们发现一个基因的活性下降，这对大约 30 个其他基因的活性产生了级联效应，这些基因与在脑细胞周围形成一种绝缘层有关——这一过程称为髓鞘形成。 众所周知，人类和黑猩猩的大脑在这种髓鞘形成速度上存在显着差异（人类减慢）。

“事实上，这一单一变化似乎会导致所有这些促进骨髓发生的基因减少，这意味着这可能是导致人类和黑猩猩之间已知差异的遗传联系之一，”莱利说。

他称其为“有点令人羞愧，因为我们没有很多花哨的新花哨来构建大脑。它使用与制造黑猩猩大脑几乎相同的构建模块。只是方式略有不同。”

遗传变化加速的地方

但似乎人类基因组的某些部分进化得特别快。 这是一项研究的重点，该研究想要了解人类几乎相同的 DNA 片段，但与所有其他哺乳动物不同。

科学家们过去曾搜索过这些区域，但这套新的哺乳动物基因组为搜索提供了新的力量。

他说，事实证明，与其他灵长类动物相比，人类许多加速遗传变化的区域导致 DNA 弯曲不同。 凯蒂波拉德旧金山格拉德斯通数据科学与生物技术研究所所长。 这很重要，因为不同类型的折叠会极大地影响哪些基因被打开和关闭以及它们如何相互作用。

“DNA 是一种非常细长的分子，”Pollard 说，“你可以把它想象成一根绳子，然后想象你拿了超过一米长的绳子并试图将它传递到细胞核中。” “它不只是向内切割或随机折叠。它实际上以协调的方式折叠。并且可以从 DNA 序列预测它的折叠方式。”

波拉德说，几年前，生物学家认为人类基因可能与黑猩猩的基因完全不同。 相反，他们学到的是，产生蛋白质的基因本身非常相似，但它们的组织方式甚至包装到三维空间中的方式可能会在人类身上发生深刻的变化。

“我认为重要的是要记住，使我们成为人类的不是一种变化，而是很多很多的变化，”卡尔森说。

此外，她说，人类传统上一直非常擅长研究人类和其他灵长类动物，“但是当你接触到很多其他物种时，我们对它们以及它们的能力知之甚少。”