大規模基因比較助力系譜圖研究

Emily和Alan Lemmon希望生物學家可以利用他們的技術繪制系譜圖。

　　Emily Moriarty Lemmon永遠不會忘記她在讀研究生時，為建立青蛙系譜圖而付出的努力。為了了解不同種類青蛙之間如何彼此相關，她需要評估盡可能多的DNA差異，但是時間和資金大大限制了她可以確定和測試的數量。“這很令人沮喪，而且并不是那么有意義。”Lemmon稱。最終，她未能獲得足夠的數據來建立一個令人滿意的青蛙系譜圖。

　　因此，2009年，當她和懂計算機的丈夫Alan Lemmon開始在美國佛羅里達州立大學任職時，他們決定發展一種技術，以減少學生從事研究時的痛苦。他們開發了遺傳標記的工具包，可以識別很多物種的 DNA，這就為衡量物種之間的遺傳差異以及相關性提供了一組標準參考點。在過去的6個月里，這對夫妻在幾個主要進化學會議上對這種方法進行宣傳，他們將其命名為錨定系統發生技術。

　　他們的技術和類似的方法依賴于在多個物種的基因組中發現的標記集合，從而可以簡化物種系譜圖研究。“這令人驚訝。”康涅狄格大學的分子分類學家 Chris Simon這樣說，“你可以把時間花在數據分析上，而不是數據收集上。”通過更全面和更快速地收集系譜圖數據——幾周而不是幾年的時間——這種新技術能夠勾畫出人們所熟悉的生物的祖先圖片。目前，一個先鋒團隊已經重繪了爬行動物的系譜圖，揭示了龜與鱷魚——而不是蜥蜴——的關系更為密切。

　　最初，科學家繪制系譜圖的基礎是生物的可見特征——例如四肢或鰭的數量和位置，或者化石中下頜的形狀等。之后，遺傳學家開始研究種系發生學，生物學家通過物種之間的DNA序列差異決定物種親緣關系。但是提取出一些適合的基因或者DNA區域需要耗費數年時間。因此，過少的數據導致系譜圖的分支勾畫很困難。理論上，科學家可以簡單地對不同物種的基因組測序，再進行比對，但是這種方法對于除了微生物之外的有機體來說，仍然過于昂貴和復雜。

　　Lemmon夫婦和其他人的技術提供了一種折中的方式，其關鍵在于確定在很多物種中都很普遍的序列(研究人員可以使用特定的探測手段輕易捕獲)。在不同物種之間，這些共享的序列有時非常相似，可以幫助建立一個系譜圖。

　　佐治亞大學的進化生物學家Travis Glenn和加州大學洛杉磯分校的進化生物學家Brant Faircloth聚焦于超保守成分(UCEs)——在很多脊椎動物中幾乎相同的100到200個DNA基礎部分。

　　2012年初，Faircloth在胎盤哺乳動物系譜圖中證明了該技術，它將多個物種分類至正確的分支中。今年，在《生物學快報》上，他們發表了對爬行動物系譜圖進行重繪的UCE分析，揭示了龜與鱷魚、鳥類密切相關，而不是蜥蜴與蛇。他們還改進了鳥類系譜圖，最近發表的對5種雨林鳥類的研究表明，該技術可以揭示鳥類剛開始物種分裂時的情況。

　　而Lemmon夫婦并不認為需要UCEs這樣高度統一的標記，于是開始尋找動物特定群體之間相似的序列，而不是完全相同的序列。在第一組標記中，他們將人類基因與雞、綠變色龍、西方爪蛙和斑馬魚的基因相比較，確定這些生物中有512種DNA序列是共同的，然后，他們使用這些共同的序列，出資讓一家公司制作了數千個“脊椎動物基因標記”探針。

　　該探針對很多脊椎動物都適用——包括Lemmon夫婦曾經研究的青蛙。通過使用探針得到并比較了幾百個DNA區域，Emily Moriarty Lemmon最終可以建立一個可信的系譜圖。2012年，在加拿大渥太華的一個進化學會議上，她作了相關報告。

　　此后，Lemmon夫婦與澳大利亞的合作者一起創建了一個工具包，其中包括很多爬行動物和兩棲動物的基因標記探針。“他們有一個非常簡潔的操作系統，任何人都可以進入這個偉大的程序，從而獲得其數據。”萊克星敦市肯塔基大學進化生物學家David Weisrock如是說。

　　作為理論進化生物學家的Alan Lemmon估計他們現在有50個合作者，而且每周都會涌來更多申請。合作者會提供他們為其制作系譜圖的生物DNA，而Lemmon夫婦會設計探針，測序DNA，并進行生物信息學質量檢查和初步分析(花費約每個樣品175美元)，從而達成合作關系。2012年，他們對300份樣品進行操作，預計到2014年，每年操作的樣品數量為5000份。

　　其他研究人員正在思索更多的基因序列捕獲方式。喬治·華盛頓大學的進化生物學家R. Alexander Pyron稱，這種多元化正是我們從一個成功的創新案例中所期盼得到的。“和我們過去做的事相比，現在的技術已經進步了幾光年。”