科研思路|NC：基于基因组的比较识别长颈鹿形体发育和心血管基因适应性机制

论文信息

论文题目：Giraffe genome sequence reveals clues to its unique morphology and physiology

期刊：Nature Communications

IF：11.878

发表时间：2016

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研究背景

长颈鹿具有特殊的身体构造，由于其颈部十分的长，因而心脏需要提供非常高的血压才能使血液输送到头部，这一特性使得长颈鹿成为了研究颈部和心血管进化的合适物种。

技术路线

本文选择了长颈鹿及其近缘物种霍加狓进行研究，由于霍加狓并不具备与长颈鹿一样的长脖子，因而能够通过比较基因组的方法，识别与颈部进化及其特殊生理适应性相关的基因。

研究结果

1、对长颈鹿和霍加狓进行了全基因组测序，分别得到了2.9Gb和3.3Gb的基因组，分别鉴定到17210和17048个基因。

2、比较分析表明，长颈鹿和霍加狓中有19.4%的基因是一致的，并且这两种动物与牛相比，均有9%的蛋白质是一致的，说明长颈鹿的特异性并不是由于快速的进化速度导致的。

3、长颈鹿中共有400多个基因被识别为正选择基因，这些基因的富集分析表明，其主要功能为溶酶体运输、自然杀伤细胞活化、免疫响应、血管生成、蛋白质ADP核糖基化、血液循环和信息素响应，正选择的400多个基因与其它相关物种中的直系同源基因进行比较，分别其相对氨基酸序列差异性和氨基酸取代，鉴定到其中70个基因可能与长颈鹿的特殊性状有关。

4、对这70个基因的GO注释进行网络分析，显示这些基因聚为8类，分别为：发育、细胞增殖、代谢、血压和循环、神经系统、双链DNA断裂修复、免疫和中心体功能，这些基因中有半数为控制身体发育（HOX、NOTCH、FGF）或生长的调控基因（MYC、E2F4、E2F5、ETS2、TGFB1、CREBBP）。

5、长颈鹿的长脖子不是由于增加了颈椎骨的数量，而是由于哺乳动物中正常的7个颈椎骨的延长，通过对长颈鹿和其它物种脊椎轴和骨骼相关基因及路径的比对，鉴定到HOXB3、CDX4和NOTO在长颈鹿中具有特异性的氨基酸取代，HOXB13在长颈鹿和霍加狓中具有特异性的氨基酸取代。

6、NOTCH和WNT信号路径会调节骨骼的发育，比较发现，FGFRL1、AXIN2、NOTCH4、JAG1和DLL3在长颈鹿中具有特异性的氨基酸取代，这些基因的差异可能是长颈鹿长脖子的原因。

7、长颈鹿的血压是人类的2.5倍，长颈鹿中参与调节血压和心血管功能相关的基因出现了特异性的进化，包括两个肾上腺素受体α1和β-2，尾加压素-2b、血管紧张素转化酶、BORG1和RCAN3。

8、长颈鹿通过肠道菌群将植物发酵产生气态脂肪酸为身体供能，在长颈鹿特性相关的70个基因中，具有代谢气态脂肪酸，如丁酸的基因MCT1、ACSM3和ACADS，以及下游氧化磷酸化产生ATP的基因NDUB2和SDHB，这些基因同时与乳酸的转移和代谢相关，乳酸对心血管功能十分重要。

9、与DNA或染色体修复相关的基因，MDC1、NIBRIN、MRE11、SOSB2和BA2B1在长颈鹿中具有特异性的氨基酸取代，这可能解释了长颈鹿中异常的染色体融合。

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