始于1990年的人類基因組計(jì)劃（The Human Genome Project）開啟了基因組時(shí)代。隨著測序技術(shù)的不斷進(jìn)步和測序成本的下降，越來越多的物種基因組被測序，從原核生物（流感嗜血桿菌，1995）到真核生物（釀酒酵母，1996），從單細(xì)胞生物到多細(xì)胞生物（秀麗線蟲，1998；果蠅，2000），從陸生生物到水生生物（河豚魚，2002），從動(dòng)物到植物（擬南芥，2000），從小基因組生物到大基因組生物（人，2001；小鼠，2002；大鼠，2004）。大量基因組數(shù)據(jù)的深入研究，開闊了人類對物種進(jìn)化及生命之樹(地球上所有生命之間的進(jìn)化關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，圖1）認(rèn)識(shí)的眼界，推動(dòng)了物種間的比較基因組學(xué)的研究。
圖1 | 生命之樹（來源于網(wǎng)絡(luò)圖片）
比較基因組，一般是指一個(gè)物種的多個(gè)個(gè)體基因組（群體）或多個(gè)物種基因組的結(jié)構(gòu)和功能基因區(qū)域進(jìn)行比較分析(Nobrega and Pennacchio 2004)，本文主要指后者。具體來講就是：比較多個(gè)物種的基因組結(jié)構(gòu)特征的異同，研究物種間基因家族收縮與擴(kuò)張，研究分化時(shí)間和演化關(guān)系，研究新基因的產(chǎn)生與進(jìn)化等。其中，基因組的結(jié)構(gòu)特征包括DNA序列、基因及基因家族、基因排序、調(diào)控序列和其它基因組結(jié)構(gòu)標(biāo)志等（圖2）。
圖2 | 基因組特征結(jié)構(gòu)（修改網(wǎng)絡(luò)圖片）
當(dāng)物種A與物種B在從共同祖先分化的初期，兩物種基因序列（內(nèi)含子和外顯子）都具有非常高的保守性（圖3左）。但是隨著兩物種的分化時(shí)間越來越久遠(yuǎn)，由于堿基自發(fā)突變，兩物種的基因序列會(huì)存在越來越多的變異。不同的是內(nèi)含子序列由于不參與編碼蛋白，其突變不改變蛋白序列，因此受選擇壓力較小，允許積累較多突變；而外顯子區(qū)域由于負(fù)責(zé)編碼蛋白，其突變導(dǎo)致蛋白序列和功能發(fā)生改變，特別是功能重要的看家基因，其外顯子序列受到較強(qiáng)的負(fù)向選擇，一般不容易積累突變，因而兩物種的外顯子區(qū)域仍然具有非常高的同源性（圖3右）(Miller, Makova et al. 2004)。
比較基因組研究的基礎(chǔ)正是基于物種基因序列的相似性，即物種間基因序列同源性越高，基因組共線性越好，說明物種的親緣關(guān)系越近；相反，如果物種間基因序列變異越大，說明物種分化時(shí)間越久遠(yuǎn)，親緣關(guān)系就越遠(yuǎn)。
圖3 | 基因編碼和非編碼序列在物種分化后因受到不同選擇壓力，具有不同保守性
通過比較在生命進(jìn)化樹中處于不同地位的物種的基因組結(jié)構(gòu)特征，推測序列的共同祖先狀態(tài)（common ancestral states），得到最近共同祖先序列（MRCA: most recent common ancestor）。通過研究物種演化過程中序列變異，了解物種分類譜系的動(dòng)態(tài)變化過程，解析物種進(jìn)化關(guān)系，為闡明物種進(jìn)化歷史提供依據(jù)（圖4）（Kawashima,T. 2019）。同時(shí)，比較基因組對于解釋基因功能，闡明其在適應(yīng)性進(jìn)化中的作用，鑒定基因型和表型之間的聯(lián)系等方面也有重要意義(Alfoldi and Lindblad-Toh 2013)。
圖4 | 比較基因組中物種生物學(xué)分類距離示意圖
X、Y、Z為現(xiàn)存物種，都從共同祖先CA分化而來，其中X和Y的親緣關(guān)系比X和Z的親緣關(guān)系更近。當(dāng)將X、Y和Z三個(gè)物種同時(shí)進(jìn)行比較基因組分析時(shí)，可以推測其共同祖先CA的性狀特征。
比較基因組學(xué)通過比較多物種蛋白序列或者基因位置與相對順序，包括基因的丟失、復(fù)制、水平轉(zhuǎn)移等，鑒定物種之間保守的基因（找物種相似之處），或者每個(gè)生物自身特征基因（找物種不同之處），旨在闡釋物種多樣性的分子遺傳基礎(chǔ)。其常見分析包括：基因家族聚類得到直系同源基因、系統(tǒng)進(jìn)化分析、物種分歧時(shí)間估算、鑒定基因融合與基因簇、信號通路基因簇重構(gòu)、基因家族收縮與擴(kuò)張、全基因組共線性比較等（圖5）(V. de Crécy-Lagard and Hanson, A. 2013)。
圖5 | 比較基因組常見分析流程圖
選擇合適的物種是比較基因組分析的第一步，是成功挖掘生物學(xué)故事的關(guān)鍵，更是發(fā)高分文章的必要條件。那如何選擇合適的物種呢？小編在這里列舉些高分文章的實(shí)例，拋磚引玉，給老師們提供些思路。
案例1：比較基因組分析揭示黃麻纖維生物合成機(jī)制
研究人員首先獲得兩個(gè)高質(zhì)量的錦葵科黃麻基因組，然后通過與其他13個(gè)物種，包括錦葵類（可可，棉花，擬南芥），豆類（亞麻，蓖麻，苜蓿，大豆，楊樹），菊類（番茄和土豆），葡萄和單子葉水稻（外類群）等物種進(jìn)行比較基因組分析，結(jié)合纖維特異表達(dá)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，揭示了黃麻中纖維合成的分子機(jī)制（圖6）(Islam, Saito et al. 2017)。
圖6 | 黃麻系統(tǒng)進(jìn)化樹
案例2：比較基因組分析揭示大熊貓（Giant panda）和小浣熊（Red panda）都愛吃竹子的趨同進(jìn)化機(jī)制
雖然大熊貓和小浣熊名字中都帶“熊”字，但它們實(shí)際上是遠(yuǎn)親。通過將小浣熊、大熊貓、白釉、北極熊、狗、老虎、人和老鼠等物種進(jìn)行比較基因組分析發(fā)現(xiàn)，小浣熊與白釉親緣關(guān)系相對較近，位于進(jìn)化樹的姐妹支；而大熊貓與北極熊親緣關(guān)系相對較近（圖7A）。雖然是遠(yuǎn)親，小浣熊卻表現(xiàn)出與大熊貓相同的食性，都愛吃竹子。這種兩個(gè)親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的生物獨(dú)立發(fā)展出相似特性的現(xiàn)象被稱為趨同進(jìn)化。通過比較基因組分析，研究人員發(fā)現(xiàn)兩個(gè)基因PCNT 和DYNC2H，在兩個(gè)物種的四肢發(fā)育中是重要的，允許手腕的骨頭額外增長成拇指狀附屬物（偽拇指的第六指）來幫助它們進(jìn)食，有助于把握竹竿（圖7B）(Hu, Wu et al. 2017)。
圖7 | 小浣熊和大熊貓的系統(tǒng)進(jìn)化樹分析和偽拇指的趨同表型
案例3：芡實(shí)和金魚藻基因組揭示被子植物早期進(jìn)化
兩種水生植物-芡實(shí)和金魚藻通過與其它代表性陸生植物基因組包括真雙子葉植物（擬南芥、桃子、葡萄和耬斗菜），木蘭類植物（牛油果、牛樟和鵝掌楸），單子葉植物（水稻、小果野焦和蝴蝶蘭），無油樟和裸子植物銀杏，進(jìn)行深入比較分析，揭示了被子植物在生命之樹中關(guān)鍵進(jìn)化地位：無油樟和睡蓮是其他所有被子植物的姐妹群；而金魚藻是雙子葉植物的姐妹群（圖8）(Yang, Sun et al. 2020)。
圖8 | 芡實(shí)和金魚藻系統(tǒng)進(jìn)化樹
從以上比較基因組研究論文中可以看出，物種的選取與闡述的生物學(xué)故事緊密相關(guān)。在此，小編依據(jù)對文獻(xiàn)的理解和項(xiàng)目分析的經(jīng)驗(yàn)，大膽提出針對不同的項(xiàng)目需求，采用不同的原則選取物種：
如闡釋物種特異的生物學(xué)特性，即找物種之間差異或不同，比如案例1，要采取“相近相異”原則，即選取親緣關(guān)系較近，但生物學(xué)特性不同的物種。
如闡釋物種共有的生物學(xué)特性，即找物種間相似性，比如案例2，要采取“相遠(yuǎn)相同”原則，即選取物種親緣關(guān)系相對較遠(yuǎn)，但具有相似生物學(xué)特性的物種。
如闡釋物種的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，則采取“跨度合適”的原則，即選取生命之樹上跨度合適的物種。
當(dāng)然，比較基因組分析還可以應(yīng)用在其他很多方面，選取物種的原則也因具體研究而異。
高質(zhì)量基因組的不斷涌現(xiàn)，使得比較基因組的應(yīng)用越來越廣泛和深入，也是研究者挖掘生物學(xué)問題和解釋生物學(xué)現(xiàn)象的有力工具。歐易生物擁有專業(yè)的動(dòng)植物基因組研發(fā)團(tuán)隊(duì)，為客戶提供從PacBio三代測序、de novo組裝、基因注釋、基礎(chǔ)分析，到比較基因組、個(gè)性化分析及多組學(xué)聯(lián)合分析等高質(zhì)量的技術(shù)服務(wù)，多名博士級專業(yè)人員，經(jīng)過多年經(jīng)驗(yàn)沉淀積累，具備多角度分析問題能力，提供多元化項(xiàng)目技術(shù)服務(wù)，多組學(xué)技術(shù)平臺(tái)聯(lián)合支撐，極力打造一站式服務(wù)。歡迎登陸歐易生物官網(wǎng)或來電咨詢。
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