根據一項新研究，今天的許多海洋無脊椎動物，包括海綿和水母，它們的染色體具有與6億多年前從原始祖先那裡繼承下來的古老結構。這一驚奇的發現提醒我們，進化是保守的–它保留了運作良好的東西，比如染色體上的基因組織–並且提供了今天活著的生物，包括人類，和我們非常遙遠的祖先之間的一個關鍵聯繫。

該研究的資深作者、加州大學伯克利分校分子和細胞生物學系的馬特拉-福斯凱特-布朗講座教授Daniel Rokhsar說：“它強調，即使在像染色體這樣基本的東西上，不同的動物也彼此相似。這就是為什麼我們可以從研究果蠅、線蟲、水母和其他’簡單’模型系統中學習到如此多的人類生物學知識的原因之一–這是因為所有動物的基本統一性。我們對動物多樣性的學習會影響我們對自己的思考。”

該研究結果發表在《科學進展》雜誌上。

新的分析預測，第一批多細胞動物在29對古老的染色體單元中攜帶其基因。隨著第一批動物在海洋中出現並演化成多樣化的無脊椎動物，從海綿到蠕蟲再到人類，這些染色體中有許多在5億年中保持完整。

作為比較，人類現在有23對染色體，總共46條，是自最早的動物以來兩次復制和多次合併以及染色體重排的結果。

這項研究由Rokhsar和奧地利維也納大學的Oleg Simakov領導，是第一次比較來自不同動物的基因的染色體位置，如海綿、水母、海扇和其他水生無脊椎動物，從而可以推斷出祖先的組織並研究染色體組織的罕見變化。雖然這種分析已經對果蠅和許多脊椎動物（包括人類）進行了分析，但直到最近才確定了各種無脊椎動物的染色體尺度的基因組。

進化是保守的

由於越來越先進的技術可以識別哪些基因在染色體蜷縮在細胞核內時彼此接近，科學家在過去幾年中已經開始將基因分配給幾種無脊椎動物的染色體。佛羅里達文昌魚，Branchiostoma floridae，一種嬌小的的海洋生物；扇貝，Patinopecten yessoensis；淡水海綿，Ephydatia muelleri；以及火水母，Rhopilema esculentum，一種刺胞動物。Rokhsar、Simakov和他們的團隊通過確定第五種動物的染色體序列，即水螅（Hydra vulgaris），另一種網狀動物的染色體序列，擴展了這一集合。

“我们发现的是显著的。如果你把这五个物种相互比较，你会发现有广泛的保护；在许多情况下，整个染色体或大块的染色体一直在一起。”他说：“海绵中的整条染色体可能对应于水母中的一条染色体。它们的组织方式并不完全相同–在不同的物种中，基因的顺序不同–但是在这些漫长的时间尺度上，一个染色体的行为就像一个基因袋，从前寒武纪的动物生命开始，就一直保持着它的完整性。”

一旦他們發現，在他們的無脊椎動物樣本中，基因傾向於在同一染色體上保持在一起–這被稱為“合成”–他們預測其他無脊椎動物也會如此，包括海膽和各種蠕蟲和軟體動物。當他們觀察這些生物的染色體時，他們發現各條染色體的DNA有類似的保存。所有這些似乎都可以追溯到早期動物祖先中存在的相同的29對染色體。

這對人類和其他脊椎動物意味著什麼？

“如果你把文昌魚和扇貝，然後是很多不同的脊椎動物的代表–不同種類的魚，如燈魚、雞等等–進行比較，你可以看到有18個不同的基因組似乎總是粘在一起，”Rokhsar說，他也是陳·扎克伯格生物中心的調查員和勞倫斯伯克利國家實驗室的聯合基因組研究所的成員。“它們總是在同一片DNA上一起旅行，因此最簡單的解釋是原脊椎動物祖先中有18條祖先染色體。”

Rokhsar和他的團隊長期以來一直懷疑，染色體比人們想像的要保存得更多。在過去的20年裡，他和他的小組對各種動物的基因組進行了測序和分析，包括一種海鞘、一種胎生動物、一種長槍魚以及海綿、鞭毛蟲、海葵、章魚、橡子蟲、水蛭、肢蟲和多毛蟲各一個不同種類。雖然早期的”草案”基因組經常是支離破碎的，但它們還是顯示出有跡象表明在不同的動物中存在著古老的保守的基因組。允許確定整個染色體的較新技術已經證實了這些早期的假說。

儘管經歷了數億年的獨立進化，不同的無脊椎動物的基因還是如此忠實地組合在一起，這一事實可能表明，基因在染色體之間跳來跳去比科學家從對脊椎動物的研究中推測的要難得多，脊椎動物的基因更頻繁地重新排列，可能是因為遺傳漂移。

“像文昌魚這樣的動物生活在巨大的種群中，具有染色體重排的罕見突變體處於不利地位，通常會消亡，而在小的、細分的種群中，這在哺乳動物中更為典型，重排更有可能生存和傳播。這是一個假說，”Rokhsar說。

另外，可能有一些未知的原因，為什麼一組基因必須保持在一起。一個著名的例子是Hox基因，它決定了動物胚胎的哪一端形成頭部，哪一端形成尾部，以及兩者之間的所有分級。在大多數無脊椎動物中，這些基因都聚集在一條染色體上，這種聚集對它們在發育過程中的部署很重要。然而，這些基因的功能集群可能是一個例外，目前還沒有證據表明最近的研究中發現的集群在功能上有關聯，Rokhsar說。

染色體的簡單保存止於無脊椎動物，因為在脊椎動物進化的早期，整個基因組在導致有頜脊椎動物的世系中被複製了兩次，這個群體包括哺乳動物、鳥類、爬行動物、兩棲動物和大多數魚類。在這些大規模複製的過程中，一系列的染色體重組形成了最早的有頜脊椎動物的基因組，最終產生了人類。然而，通過追踪最早的脊椎動物進化過程中從一個染色體轉移到另一個染色體的基因組，Rokhsar和合作者能夠跨越脊椎動物和反脊椎動物的鴻溝，將最早的動物染色體與當代脊椎動物的染色體連接起來。

“其中一件很酷的事情是，一旦我們推斷出這些古老的原染色體並在生命樹上組織它們，那麼我們就可以進行預測。”他說：“如果你去對其他一些基因組進行測序，我們預測你將不可避免地發現這些基因在同一染色體上混在一起。與物理學或化學不同，你通常不能在生物學中進行這種預測。但是現在，從某種意義上說，我們從這種比較中知道了一些關於幾乎所有動物基因組的情況。”