橡子蠕虫基因组揭示了人类咽部的鳃起源

两个海洋蠕虫的新测序基因组正在揭示眩晕进入咽喉的5.7亿年演变，今天人类可以咬人，咀嚼，吞咽和说话。两种橡子虫的基因组序列草图，生活在浅水咸淡水中的U形洞穴中，是半翅目的第一个基因组，与第一批动物保持相似性，以进化咽或“鳃”裂缝。这些祖先最终产生了脊索动物：带有脊椎和空心神经索的动物，如人类和其他脊椎动物。

由于橡子虫和人类血统在5.7亿年前分歧，用于过滤食物的咽部裂缝变成了用于提取氧气的鳃，后来进入今天的人类上下颌和咽部，其中包括甲状腺，舌头，喉(语音盒)和嘴和喉咙之间的各种腺体和肌肉。人类和其他陆地脊椎动物实际上会在胚胎时发出残留的鳃，尽管它们很快消失，很少在婴儿中持续存在。

“这些裂缝在橡子虫和脊椎动物中的存在告诉我们，我们最后的共同祖先也有它们，并且很可能像今天的橡子虫一样过滤器，”测序工作的领导者之一和加州大学伯克利分校的Daniel Rokhsar说道。分子与细胞生物学和物理学教授。“橡子虫是海洋无脊椎动物，尽管它们确实是非脊椎动物，但它们仍然是我们最近的无脊椎动物亲属。”

“这是一只丑陋的野兽，”该报告的高级作者，加州大学伯克利分校研究生院教授约翰·格哈特承认道。“橡子虫看起来与脊索动物非常不同，这使得它们与人类一样，在基因组学，发育和细胞生物学水平上如此相似，这尤其令人惊讶。”

事实上，大约70%的人类基因在橡子虫中具有对应物，这表明这些是从共同祖先遗传下来的古老基因。

该研究小组包括加州大学伯克利分校的科学家; 日本冲绳恩纳的冲绳科学技术研究所; 斯坦福大学的霍普金斯海洋站; 德克萨斯州和英国的贝勒医学院。他们在11月19日的“ 自然 ”杂志上发表了他们的研究结果。作为客座教授担任OIST分子遗传学部门负责人的Rokhsar和OIST海洋基因组学部门负责人Nori Satoh领导该项目。

Gills是一种前寒武纪的创新

Gerhart已经研究了15年的橡子虫，特别是大西洋物种Saccoglossus kowalevskii，追踪负责从卵子到成虫发育的基因。十年前，他首先提出对其基因组进行测序。

“我对脊索动物的起源很感兴趣，当然，它们来自非脊索动物，像橡子虫这样的半翅目是我们最接近这一血统的，”他说。“因此，如果你想知道共同祖先真正拥有的特征，那么将我们小组的发展和基因组与脊椎动物进行比较是非常重要的。”

这是一个小领域。世界上只有少数几个实验室研究橡皮虫，它们很难在坦克中升起。Gerhart说，自生物学家在19世纪首次描述它们以来，它们在很大程度上被忽视了。该论文的几位共同作者领导了这些实验室：霍普金斯海洋站的Chris Lowe，Gerhart的前博士后研究员，哈佛大学的Marc Kirschner和日本的Nori Satoh。

橡子虫的一个特点是它的几十个咽部裂缝，它可以过滤通过它们抽取的海水来捕获养分，藻类和细菌猎物。这些裂缝演变成鱼和其他海洋脊椎动物的鳃裂缝，专门用于从水中提取氧气，并在此过程中失去了古老的过滤器喂养作用。

Gerhart已经开始欣赏这种蠕虫的生物学，他说，独特的手指状的“头部”或橡子的长鼻用于探测大多数单细胞藻类和细菌的沙子，然后重新悬浮。在水中被吸入并通过鳃裂缝过滤。

“鳃缝是多么大，你可以通过动物收集大量的水来收集食物;它们允许高通量的过滤和喂食，而其他动物只吞下一口，一口吞下食物，驱逐水从嘴里流出来，又喝了一口，“他说。“这些蠕虫和所有后躯体的咽部区域是他们最重要的共同创新。”

在前寒武纪时期出现的Deuterostomes包括脊索动物，橡子虫 - 最古老的deuterostome - 和近亲，棘皮动物，包括海星和海胆。Deuterostomes和另一组，原始体 - 包括昆虫，软体动物和环蚯蚓等环节动物的25个门包括所有双侧对称的动物。

用于咽部的基因簇

虽然Baylor的科学家汇集了Saccoglossus基因组的初步序列，但Rokhsar与冲绳组合作改进了基因组序列，并对热带太平洋物种Ptychodera flava的整个基因组进行了测序。这两个是远古表兄弟，相隔3.7亿年的进化。

通过将新的基因组序列与许多其他动物的序列进行比较，研究小组发现人类同一染色体上的基因簇通常在橡子蠕虫基因组上聚集在一起。Rokhsar说，有时甚至群集的局部结构都是相同的，尽管这两个基因组在超过5亿年前发生了分歧。

一个特别有趣的聚类是一组六个有序基因，它们都与橡子虫和脊椎动物的咽和鳃裂缝的发育有关。他说，咽鳃裂缝 - 至少在所有后躯体中都是原始的 - 被认为是一种进化创新，将整个群体定义为一个整体。

“我们认为这是一个古老的deuterostome特异性基因簇，参与模式咽，”Rokhsar说。

令人惊讶的是，deuterostomes有30多个基因，在非deuterostomes中没有对应物，但与海藻和细菌中发现的基因相似。这些基因中的一些涉及修饰覆盖我们细胞的糖。这些都是非常古老的基因，所有其他动物都失去了它们，或者它们是通过在deuterostome进化的早期从藻类和细菌“水平转移”获得的。虽然众所周知细菌以这种方式交换基因，但发现细菌与动物的转移是罕见且有些争议的，Rokhsar说。

“我希望这些新序列能够鼓励更多人研究橡子虫，”格哈特说。