潜入海豚基因组可以有益于人类健康

在电影和电视节目中，海豚经常被描绘成通过卓越的力量和韧性拯救人类的英雄。现在，海豚可以在现实生活中拯救人类的一天 - 借助可以测量数千种蛋白质的新兴技术和一个充满遗传数据的改进数据库。“海豚和人类是非常非常相似的生物，”NIST的Ben Neely说，他是海洋生物化学科学小组的成员，也是南卡罗来纳州查尔斯顿研究机构Hollings Marine Laboratory的一个新项目的负责人，该实验室包括国家标准与技术研究所(NIST)作为其合作机构之一。“作为哺乳动物，我们共享许多蛋白质，我们的身体以许多相似的方式发挥作用，即使我们是陆地和海豚一生都在水中生活。”

Neely和他的同事刚刚完成了对宽吻海豚基因组中发现的所有蛋白质的详细，可搜索的指数。基因组是生物体中存在的一整套遗传物质。Neely的项目建立在多年的海洋哺乳动物研究基础之上，旨在提供更高水平的生物分析测量。这项工作的成果将有助于野生动物生物学家，兽医专业人员和生物医学研究人员。

蛋白质地图可以帮助海豚和人类

尽管2008年首次编制了宽吻海豚(Tursiops truncatus)基因组的详细地图，但最近的技术突破使得能够创建一个由海豚DNA产生的所有蛋白质的新的更详尽的地图。

Neely在Hollings海洋实验室的同事的帮助下领导了生成新基因组的过程。对于这个项目，最初的基因组测序和组装由美国私人公司Dovetail Genomics完成。接下来，基因组由美国国家医学图书馆(NCBI)的国家生物技术信息中心注释，使用之前存储的数据，该数据在很大程度上由国家海洋和大气管理局的国家海岸科学海洋基因组学核心中心产生。

“一旦你能够识别所有的蛋白质，并知道它们的数量是由基因组表达的，”Neely解释说，“你可以用这种非常详细的方式弄清楚宽吻海豚的生物系统中发生了什么。”

Neely的研究是一个名为蛋白质组学的新兴领域的一部分。就海豚而言，蛋白质组学工作具有广泛的潜在应用。

动物园和水族馆产业每年产生约160亿美元的收入，可以用它来改善宽吻海豚的护理。

此外，改进的海豚蛋白质组学可以改善对野生海豚种群的评估，并提供大量有关环境污染物以及世界海洋食物网的安全和健康的数据。

比较人类和这些其他哺乳动物的蛋白质已经为研究人员提供了大量有关人体如何运作的新信息。这些发现最终可用于开发新的，更精确的常见医疗问题治疗方法。

随着海洋哺乳动物的下降，它们切断了许多器官的血液流动，长期以来一直困扰着生物学家。相反，如果血液停止流动到人体器官甚至几秒钟，结果可能是中风，肾衰竭，甚至死亡。

研究最近发现，海洋哺乳动物血液中鲜为人知的蛋白质可能在潜水过程中发挥重要作用，保护宽吻海豚的肾脏和心脏免受血液流动和氧气在这些水下突袭期间反复开始和停止的损害。

这些蛋白质之一被称为vanin-1。人类生产的是vanin-1，但含量要少得多。研究人员希望收集有关提高vanin-1水平是否可以为肾脏提供保护的更多信息。

南卡罗来纳医科大学的Mike Janech说：“关于基因和它们产生的蛋白质的知识存在这种差距。我们错过了这些动物如何做他们所做的事情的巨大难题。” 他的研究小组一直在研究vanin-1，并且已经确定了由NIST创建的海豚基因组的许多其他潜在的生物医学应用。

“基因传递生命信息，”Janech说。“但蛋白质执行功能。”

从宏到微观

Vanin-1只是关于这种哺乳动物表亲的基因组信息如何证明有用的一个例子。可能有数百种其他类似的应用，包括一些与高血压和糖尿病的治疗有关的应用。

这代表了仿生学的另一种途径，它通过检查和模仿自然的模式和策略来寻求解决人类问题的方法。在过去，仿生学只关注动物身体部位的结构方面，如手臂和腿或鼻子和嗅闻等功能模式。但随着对DNA的研究的进化，我们也能够检测另一个哺乳动物体内最微小水平的事情。

“我们现在正在进入所谓的后模型生物时代，”尼利说。科学家们正在寻找模型过程中这些生物的基因和蛋白质的完整分子景观，而不仅仅是寻找模型，模仿或学习的结构。“利用丰富的基因组资源，现在可以研究具有相似分子机制的非模式生物，以解决困难的生物医学问题。”

数据，新技术和高质量组织样本

为了收集所需的蛋白质信息，Neely和他的团队使用了国家海洋哺乳动物组织银行(NMMTB)提供的标本，这是NIST海洋环境标本库最长的项目。NMMTB中大约4,000个海洋哺乳动物标本中的一半被收集作为海洋哺乳动物健康和搁浅反应计划的一部分。已知为Neely的研究提供的标本非常接近Hollings海洋实验室。

新的，最先进的基因组立即开始提供新的生物化学见解。NIST正在进行研究，以使用超高分辨率三重混合质谱仪验证更新的蛋白质图谱，该质谱仪是用于鉴定和定量蛋白质的最强大工具。

其他哺乳动物蛋白似乎也很有希望

Neely表示，该结果证明了重新绘制基因组的效用，以及与高分辨率质谱仪相结合的新基因组测序技术所提供的改进的生物分析能力。该项目的数据也将在公共领域提供，以便其他人可以轻松访问和使用各种应用程序和研究。

这是查尔斯顿小组开展的许多此类项目中的第一个，其中新的分析技术可应用于海洋动物。研究其他潜水海洋哺乳动物可以提高我们对潜水分子机制的理解。此外，海狮蛋白质可能有很多东西可以告诉我们转移性癌症，这尤其激起了Neely和他的同事。

作为一名研究化学家，Neely说他现在并没有花太多时间观察海洋哺乳动物作为他工作时间的一部分。然而，当他沿着卡罗莱纳州的海岸线冲浪时，他确实遇到过海豚。

“令人惊讶的是，我们认为我们正处于海洋哺乳动物的前沿研究可以直接推进人类生物医学发现的地步，”他说。