四處入侵的水母，基因組中藏著什么秘密武器？| BMC Biology
撰文 | Jong Bhak, Seungshic Yum & Hak-Min Kim
● ● ●
水母的結(jié)構(gòu)看似簡(jiǎn)單，但它卻可以幫助我們了解復(fù)雜的動(dòng)物生命是如何在數(shù)億年內(nèi)完成進(jìn)化的。在接下來(lái)的分享中，在BMC Biology 上發(fā)表相關(guān)論文的研究者向我們介紹了他們?cè)诰扌驮角八福∟omura's jellyfish）的基因組中的發(fā)現(xiàn)。
水母屬于刺胞動(dòng)物門（Cnidaria），這個(gè)門內(nèi)還包括珊瑚、水螅、?？?。刺胞動(dòng)物是最早分支的后生動(dòng)物譜系之一。該群體在大約5億年前經(jīng)歷了顯著的多樣性變化，刺胞動(dòng)物作為兩側(cè)對(duì)稱類動(dòng)物（包括99%的現(xiàn)存動(dòng)物以及人類）的姊妹，研究它們可以揭示復(fù)雜動(dòng)物生命進(jìn)化過(guò)程中的重大事件。 雖然兩側(cè)對(duì)稱類動(dòng)物在陸地和海洋上成功存活了下來(lái)，但刺胞動(dòng)物仍舊在水中生存。在刺胞動(dòng)物門類中，水母可以說(shuō)是最活躍的：它們使用最少的能量進(jìn)行游動(dòng)和捕食，這使得它們儼然成為了地球上最有效的“噴射推進(jìn)器”。相對(duì)于其他刺胞類動(dòng)物，水母獨(dú)特的生活方式反映了數(shù)百萬(wàn)年來(lái)它們對(duì)不同基因和突變的選擇結(jié)果。例如，在BMC Biology 中發(fā)表的這篇文章中，我們發(fā)現(xiàn)水母存在很好的肌肉和神經(jīng)元信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)的基因。在垂直或水平方向游動(dòng)時(shí)，水母已經(jīng)進(jìn)化出快速控制滲透壓的能力，來(lái)應(yīng)對(duì)不同的水體濃度。 越前水母的系統(tǒng)發(fā)育位置及其與其它刺胞動(dòng)物基因組的關(guān)系 了解以及定義水母的最好方法是將水母基因組與其他包含足夠多基因和蛋白質(zhì)的刺胞動(dòng)物的基因組進(jìn)行比較。由于水母和其他刺胞動(dòng)物（如：水螅和珊瑚）在進(jìn)化關(guān)系上非常遙遠(yuǎn)，所以在表型上對(duì)它們進(jìn)行比較十分容易，但卻很難精確地確定水母的基因變異。幸運(yùn)的是，目前已有大量的關(guān)于刺胞動(dòng)物基因組學(xué)的研究被發(fā)表出來(lái)，并且我們已經(jīng)檢測(cè)出足夠特異的基因、通路和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域來(lái)幫助我們從基因角度出發(fā)對(duì)水母進(jìn)行重新定義。 為了對(duì)水母的基因組進(jìn)行比較，我們需要找到一些水母作為研究對(duì)象。我們很幸運(yùn)地在韓國(guó)溫暖的南部海岸發(fā)現(xiàn)了許多漂浮著的巨大水母。這些巨型水母，寬達(dá)2米，重則200公斤，它們被稱為越前水母。在日本，它們有時(shí)被認(rèn)為是一種食品，但其實(shí)它們十分危險(xiǎn)，有時(shí)甚至能致人死亡，因而長(zhǎng)期被韓國(guó)漁民所摒棄。在中國(guó)的黃海和南海海域也發(fā)現(xiàn)了越前水母的蹤跡，它們已經(jīng)逐漸擴(kuò)散到了南太平洋。也許是由于全球變暖和對(duì)劍魚和金槍魚的過(guò)度捕撈，越前水母現(xiàn)在在韓國(guó)海域及日本海水域繁殖迅猛。 我們捕獲了其中一只并對(duì)其基因組和轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行測(cè)序，然后將結(jié)果與其他的刺胞動(dòng)物和兩側(cè)對(duì)稱類動(dòng)物的基因組進(jìn)行比較。第一步是基因組的組裝：將Illumina的短DNA片段測(cè)序結(jié)果和PacBio的長(zhǎng)DNA片段測(cè)序結(jié)果進(jìn)行組裝。然后與其他七種珊瑚、?？?span style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">水螅等刺胞動(dòng)物的基因組進(jìn)行比較，來(lái)鑒定它們的遺傳差異。 目前，已經(jīng)有七個(gè)刺胞類動(dòng)物的基因組研究被發(fā)表了，其中就包括越前水母。水母在形態(tài)學(xué)上有巨大的差異性，因此我們著重于利用遺傳學(xué)水平的差異來(lái)對(duì)水母的身體機(jī)能進(jìn)行闡述。 越前水母屬于缽水母綱，它的基因組大小為213 Mbp，對(duì)于刺胞動(dòng)物來(lái)說(shuō)大小適中。但與人類的3 Gbp相比，這卻是一個(gè)很小的基因組。盡管如此，它與人的基因數(shù)量幾乎相同（19,525）。鑒于HOX基因?qū)w形可以產(chǎn)生影響，我們對(duì)HOX基因的不同重組形式進(jìn)行了分析進(jìn)而對(duì)該基因進(jìn)行研究。在刺胞動(dòng)物中，水母由于其獨(dú)特的頭部和尾部而變得獨(dú)一無(wú)二。盡管我們?cè)谒傅幕蚪M中觀察到了HOX基因獨(dú)特的組合方式，但目前還沒(méi)有將HOX基因表達(dá)和下游發(fā)育途徑與水母的特定形態(tài)特征聯(lián)系起來(lái)的研究證據(jù)。 從基因組的對(duì)比結(jié)果來(lái)看，我們還發(fā)現(xiàn)了水母的基因組似乎已經(jīng)適應(yīng)了“細(xì)胞的化學(xué)穩(wěn)態(tài)”和“鈉離子轉(zhuǎn)運(yùn)”功能，這是其他刺胞動(dòng)物所沒(méi)有的。如之前所述，這種行為是有意義的，可以保障它們能夠在水中垂直和水平地遠(yuǎn)距離游動(dòng)來(lái)捕獲獵物。 水母其實(shí)并不聰明，而且它們沒(méi)有大腦、眼睛或者其他的感受器官，它們只有存在于觸角的很小的感官結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)被稱為“觸手囊”。水母利用它們的觸手囊和神經(jīng)系統(tǒng)（神經(jīng)網(wǎng)）來(lái)鑒別光源和氣味。和兩側(cè)對(duì)稱類動(dòng)物，如：人類，果蠅和斑馬魚相比，我們發(fā)現(xiàn)在水母中，與感覺(jué)受體相關(guān)的基因家族的數(shù)量大大地減少了，這種現(xiàn)象同樣存在于其他刺胞類動(dòng)物中。 水母利用它們的觸須來(lái)捕獵。他們也擁有十分強(qiáng)大的防御機(jī)制。為了散布它們那臭名昭著的臭味，水母進(jìn)化出了特異化的結(jié)構(gòu)：刺絲囊。他們的觸須上有數(shù)以千計(jì)的刺胞動(dòng)物都有的成千上萬(wàn)個(gè)的刺絲囊，這些刺絲囊在受到刺激時(shí)會(huì)產(chǎn)生數(shù)千微小劑量的毒液。典型的水母毒液包括磷脂酶A2和金屬蛋白酶，并且我們發(fā)現(xiàn)這些與毒液相關(guān)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域和基因?qū)δ切┗钴S的捕食者十分有利。 綜上所述，目前至少已經(jīng)在一個(gè)水母體內(nèi)觀察到了它的身體結(jié)構(gòu)（頭 & 觸須）、化學(xué)滲透適應(yīng)能力（溶液滲透壓）和身體協(xié)調(diào)能力（噴射推進(jìn)身體前行）保留有進(jìn)化中遺留下的種種特征。 BMC Biology DOI：10.1186/s12915-019-0643-7 The genome of the giant Nomura’s jellyfish sheds light on the early evolution of active predation.
