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科学家已完成对濒危动物袋獾的基因组测序

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03 November 2011
Man holding large Tasmanian Devil

图为饲养员蒂姆·福克纳 (Tim Faulkner)抱着一只仅存于澳大利亚的塔斯马尼亚袋獾. 图片来源: 宾夕法尼亚州州立大学教授史蒂芬∙舒斯特(Stephan Schuster.

Note: The English-language version of this press release is available here.

通过对两只健康和患病的塔斯马尼亚袋獾的全部基因组分析,科学家们发现了一个革命性的濒危物种保护方法,并在此基础上建立了相应的理论模型。该模型可以预测如何在最大限度上对袋獾进行选择性隔离保护,从而保留有利于袋獾种群存活的基因多样性。两只被研究的袋獾中,一只已经死于传染性的袋獾面部肿瘤,另一只则健康状况良好。这项研究有助于制定一个可行的计划来预防塔斯马尼亚袋獾——一种仅存于澳洲塔斯马尼亚岛的有袋目哺乳动物的灭绝。同时,这套理论模型也可适用于其他的濒危动物。研究小组由宾夕法尼亚州州立大学的生物化学和分子生物学系教授史蒂芬∙舒斯特(Stephan Schuster)及生物学和计算机工程学系教授韦伯∙米勒(Webb Miller)、圣地亚哥文特尔研究所的研究员瓦妮莎∙海耶斯(Vanessa Hayes)、以及来自澳大利亚、丹麦和美国的科学家组成。此项研究的结果将会发表于《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上。关于此项研究的其他报道已经发表在项目主页:http://tasmaniandevil.psu.edu.

袋獾面部肿瘤是一种十五年前在塔斯马尼亚岛东岸首次发现的罕见疾病。这种疾病不仅会使袋獾面目全非,而且会造成袋獾饮食及呼吸困难并在数月内死亡。这种疾病在被发现后迅速向岛屿西部传播, 威胁着整个袋獾的存活。“这种疾病不同于我们已知的人类及其他动物疾病。 它看起来像病毒,但实际上是由动物体内几年前产生的一个癌细胞扩散所导致。”舒斯特解释道,“这种恶性肿瘤可以通过袋獾间撕咬、交配,甚至触摸就可以传播。试想如果人身上的癌症可以通过握手传染,那么我们很快就会灭绝。”科学家们表示,如果把一定数量健康的塔斯马尼亚袋獾“圈禁”在动物园及其他设施中来“监禁保护”直到肿瘤从自然界中消失,这时那些被圈禁的动物就可以回归到它们本来的栖息地重新繁衍生息。“但是,这并不是随便找几只袋獾关起来的问题,”米勒说道,“我们的研究小组发明了一种更聪明并且合适的方法:我们问自己,哪些袋獾更应该被‘监禁保护’起来,我们应该用什么样的标准来做出决定?很快我们就意识到答案就是去收集基因组数据并用新方法去分析它们。”

这个研究小组分两步处理了袋獾濒临灭绝的问题。第一步是完成对两只塔斯马尼亚袋獾的全基因组测序——各为三十二亿个碱基对。其中名叫“公爵”的雄性袋獾天生对两种面部肿瘤具有抵抗力,但是它去年被另一种不同的面部肿瘤感染后便失去了抵抗力。另一只雌性袋獾名叫“勇气”,它在野外时就染上了这种恶性肿瘤。不过,在此之前科学家已经排列出了她身上一个肿瘤的染色体组。这两只动物分别来自塔斯马尼亚偏远的西北和东南地区,所以它们覆盖了这个种群最远的地理分布——这是一个用来大致估计基因多样性的办法。他们接着开始研究这两只动物的基因组和肿瘤基因组的特点。通过分析这些数据,他们构建了一个模型来决定哪些袋獾应被隔离饲养,就如同正在塔斯马尼亚和澳洲大陆圈养的袋獾一样。

舒斯特解释说,塔斯马尼亚袋獾种群的遗传多样性很低,因此,选择合适的动物个体来最大限度地代表遗传多样性对成功保护这个种群十分关键。“你也许会只想选择天生对癌症有抵抗力的个体,不过,这违背了保持基因多样性的目的,因为从理论上讲,你只是从大基因库里选择了一个很小的子集,”舒斯特继续说道:“相反,我们的模型提出了一个更为均衡的方法。我们并非仅仅要消除这种癌症,而是要建立一个完整的、多样的群体,这样它们才可能抵抗未来以及那些甚至还没演变出来的疾病。”

这项研究的另外一方面是去探究袋獾种群有多少遗传多样性是在一八零三年欧洲人定居塔斯马尼亚后消失的。为了展开这项研究,科学家们从另外的175只塔斯马尼亚袋獾身上分析了大量的遗传标记,其中一部分袋獾来自华盛顿的史密斯森博物馆和伦敦的自然博物馆里陈列的标本。舒斯特解释道,这种他命名为“博物馆基因学”的基因研究方法,是一个真正独特并充满潜力的办法。“博物馆是藏满基因样本的宝库,里面有250年前就收集的标本,”舒斯特说,“事实上,我们可以从标本的一根毛发上获取脱氧核糖核酸(DNA)。”舒斯特还解释道,从毛发上提取DNA并不会破坏标本,因为简单地取几根毛发并不影响博物馆标本的外观。有趣的是,在对175只袋獾进行研究后,科学家得知塔斯马尼亚袋獾的遗传多样性从上世纪到现在只减少了一小部分。“这是一个重要的发现,它意味着面部癌症并不是由遗传多样性的丢失引起的,因为这种癌症在15年前才被发现,”米勒说,“这对我们履行保护这个种群的职责、帮助它们维持癌症来袭前较小的遗传多样性至关重要。”

舒斯特还提到这个研究项目一个重要的和决定性的部分,即采用了超长片段的基因组测序技术,这项测序技术在该研究进行时还尚未向公众开放。 “它是由罗氏诊断(Roche Diagnostics)和454生命科技公司(454 Life Sciences)研发的,使得我们能够顺利地完成全基因组的从头拼接,”舒斯特说道,“长片段的测序数据对于了解这个独特种群的基因组组成及其排列非常重要。”

舒斯特和米勒希望他们研究出的能阻止袋獾灭绝的新方法可以被应用到其他濒危物种上。“我们人类已经造成了许多生物的灭绝,所以我们有责任向大自然伸出援手来寻求解决问题的办法,”米勒说道,“试想:假如一个司机酿成了车祸,他在道德上有义务把受伤的人送往医院并帮助他恢复到出车祸前的健康状况。同样的,我们的目标是用‘博物馆基因学’努力使那些濒危动物恢复到人类到来之前的遗传健康状态。”舒斯特补充道,“为了将来,我们必须了解过去。考察研究博物馆里的标本很重要,就和了解五万到一万年前的种群历史一样重要,并且要用遗传信息构建出一个计划。它的目的是去拯救一个种群,而不是去做‘善后处理’。”

舒斯特提道,他们研究小组的这一提议最初被认为是一项高风险高回报的研究方案。“我们特别感谢戈登和贝蒂∙穆尔基金会(Gordon and Betty Moore Foundation)。感谢他们的先见之明,支持了这项研究,因此才诞生了一个有前途的应用现代基因技术保护物种的工作机制,”他说道。其他私人赞助分别来自于澳大利亚的‘基因工作’基金会(Gene Works)和艾尔科基金会(Allco Foundation)以及罗氏诊断基金会。

本文作者:卡特里娜∙沃斯(Katrina Voss)

联系人:

史蒂芬∙舒斯特教授:814-441-3513,814-863-9278,scs@bx.psu.edu

韦伯∙米勒教授:814-234-6289,webb@bx.psu.edu

芭芭拉∙肯尼迪(Barbara Kennedy)(责任编辑):814-863-4682,science@psu.edu

翻译:

李懿昭:347-721-8748, yql5163@psu.edu

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