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动物器官中的特征

  研究人员首次破译了控制人类和其他选定哺乳动物(恒河猴、小鼠、大鼠、兔子和负鼠)出生前后主要器官发育的基因程序。海德堡大学的分子生物学家利用下一代测序技术分析了大脑、心脏、肝脏、肾脏、睾丸和卵巢。他们的大规模研究表明,所有被研究的器官都显示出基本和原始的基因活动网络,这些网络一定起源于两亿多年前哺乳动物进化的早期阶段。在第二次大规模研究中,科学家们首次探索了所谓的核糖核酸基因的发育作用,这种基因迄今鲜为人知,但非常大。核糖核酸基因产生核糖核酸,而不是像“正常”基因那样的蛋白质。

动物器官中的特征

  大量基因活性(也称为基因表达)之间的精细协调和复杂相互作用控制着受精卵细胞向成人的发育。以前,对哺乳动物这些基本遗传过程的理解仅限于单一蛋白质基因和特定器官或发育阶段。此外,大多数以前的工作都集中在老鼠身上。海德堡大学分子生物学中心研究小组组长亨里克·凯斯曼教授说:“解释不同哺乳动物器官大小、结构和功能差异的遗传基础在很大程度上是未知的。”

  为了充分调查开发过程,凯斯曼的团队采用了创新的高通量方法。这些下一代测序技术(NGS)可以同时分析所有基因在各自基因组中的表达。使用NGS,已经从各种器官和哺乳动物中读取了超过1000亿个蛋白质和核糖核酸基因表达片段。Margarida Cardoso-Moreira博士和Ioannis Sarropoulos解释说:“这使我们能够量化和比较发育过程中基因活性的变化。

  海德堡大学计算中心使用高性能计算机对这些数据进行生物信息学分析。它们为哺乳动物器官发育的遗传控制提供了新的见解。研究人员发现的基本和原始基因活动网络功能相似,决定了包括人类在内的所有被研究哺乳动物的关键发育过程。这意味着这些分子网络在两亿年前控制了早期哺乳动物的器官发育。

  研究人员还发现,在不同种类的哺乳动物中,数量惊人的基因的活动模式明显不同。进化中的这些差异解释了各自物种的特定器官特征。例如,对于控制大脑发育的基因,海德堡大学的研究人员可以识别不同的人类表达模式。科学家还发现,数量惊人的核糖核酸基因参与了器官发育的控制。因此,凯斯曼教授说,这种以前难以描述的基因在哺乳动物的发育中起着重要作用。

  在他们的大规模研究中,ZMBH研究人员在基因序列中发现了一个更高层次的模式。尽管它们在所有研究哺乳动物器官发育的早期阶段(即产前阶段)仍然非常相似,但随着时间的推移,它们的差异越来越大。

  凯斯曼教授解释道:“一个物种的器官特征直到发育的后期才会形成。使用现代分子生物学方法,我们在19世纪首次证实了生物学上的一个突破性假设。”德国博物学家卡尔·恩斯特·冯·贝尔(1792-1876)发现,年龄越小,越难区分各种哺乳动物的胚胎。

  这些数据可在公共访问数据库中获得,相关研究结果发表在《自然》杂志上。

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