挖掘自然博物館中的遺傳寶藏
撰文 | Eryn Brown
翻譯 | browneyedsilvia
校譯 | D
如今，生物學家們想獲取的自然博物知識很多都來自于肉眼不可見的DNA分子中。自然博物館里這些規(guī)模浩大而又古老的標本收藏能夠為我們提供什么信息，以推進對基因和演化相互關系的理解呢？
長期以來，大部分的自然博物館研究員都致力于發(fā)現(xiàn)新物種并梳理其演化歷史的工作。我的興趣則更偏向于基因組（即一種生物或其個體所擁有的全套遺傳物質）與表現(xiàn)型之間的聯(lián)系，前者指導生物的發(fā)育和活動，后者則指代生物所表現(xiàn)出的性狀，簡稱表型。
當我們同時關注基因組與表型，就能夠研究生物如何演化并逐漸適應不同的生存環(huán)境，而自然博物館的館藏標本就為這樣的研究提供了大量可供發(fā)掘的樣本庫。從某種程度上來說，博物館就像是一臺時光機器，使我們能夠穿越到過去，查看舊時的標本。得益于博物館的搜集整理工作，我們還能夠一并了解標本的采集時間和地點，以及多年來科學家們在標本中觀察到了什么。
對于當代的生物物種，利用其已有的館藏標本比去實地采樣亦有優(yōu)勢之處。有時候，研究對象會是已經(jīng)滅絕或極其稀有的生物，有關部門不會允許任何形式的采樣，因為這種生物在野外真的可能就只剩兩個個體了。
我所研究的蜥蜴在自然環(huán)境中的數(shù)量還算不少，但能直接獲得館藏標本確實節(jié)省了功夫。我取樣過的物種有很多種來自于澳大利亞的館藏標本組織，如果沒有這些標本，我就得親自到野外去尋找這些物種了。而且，即使去了對的地方，我也有可能找不到，更不要提這些物種的分布地區(qū)散落在各個大陸了。
行業(yè)標配。博物館基因組學集合了實地、實驗室和計算分析研究的手段。首先，研究者仔細查看[1]地圖，尋找研究地點，并參考[2]書籍及其它已發(fā)表的著作，提出研究的假說。在野外實地，研究者在采集[4]標本時，會做詳細的[3]采集信息記錄，并且給標本加上[5]標簽以便區(qū)分。他們使用[6]專業(yè)的工具來解剖標本，獲取后續(xù)用于測序的組織樣本。這些樣本通常裝在[7]管子中，封在[8]液氮里保存。按照傳統(tǒng)，這份標本其余的部分就成了一件博物館收藏的憑證標本。根據(jù)生物體的不同，這些標本可以[9]干制處理，或是[10][11]用酒精做浸制處理。組織樣本會先經(jīng)過[12]處理（標號所指為移液槍）再用[13]手持測序儀進行DNA測序，最后用[14]電腦來分析得到的序列信息。（來源：MUSEUM OF COMPARATIVE ZOOLOGY, HARVARD UNIVERSITY. PHOTOGRAPH BY DAREN CARD / ? PRESIDENT AND FELLOWS OF HARVARD COLLEGE）
有什么科學家利用館藏標本、通過遺傳學手段研究生物演化的好例子嗎？
有一項對美國加州高海拔地區(qū)的花栗鼠的研究，是個絕佳的例子，我們在綜述文章里也重點提到了。這些花栗鼠僅分布在加州海拔最高的山上，而這項研究就是關于它們在過去的約一百年中是如何演化并變得適應環(huán)境的。
人們擔心，像這樣的物種面臨著氣候變化引發(fā)的巨大風險。如果氣溫繼續(xù)上升、并且物種沒有空間向更涼爽的高山地區(qū)遷移，那它們的日子就不好過了。
對于這些花栗鼠，最初的研究始于二十世紀初，由加州大學伯克利分校脊椎動物學博物館的科學家們開展起來，尤其是一位叫約瑟夫·格林奈爾的研究者，他是當時一位非常有影響力的博物館科學家。格林奈爾在記錄美國西部的自然博物學方面著作頗豐，而彼時的西部正迎來大量的移民定居。
格林奈爾在1939年去世了，不過他很有前瞻力：他推測，未來的科學家將使用館藏標本來研究生物隨時間發(fā)生的變化。這個推測啟發(fā)了克雷格·莫里茲——我們這篇綜述文章的共同作者之一——組建一個團隊來對這種花栗鼠的一些高海拔種群進行重新采樣和DNA測序，并將他們的發(fā)現(xiàn)與從一百多年前格林奈爾團隊采集編目的動物標本中提取的DNA樣本進行對比。莫里茲想看看他們是否能夠檢測到一些基因變化，記錄氣候是如何影響這些生物的。
莫里茲團隊發(fā)現(xiàn)，花栗鼠的基因組里大部分片段沒有什么顯著的變化。但是，來自高海拔地區(qū)個體所含的一些單基因突變，隨著時間的推移，在部分種群中變得更加常見了。這樣的改變有可能來自于氣候變化帶來的生態(tài)壓力。
他們觀察到，一個特定基因的五個變體在種群中的出現(xiàn)頻率發(fā)生了較大的變化。這個基因叫做Alox15，它參與調節(jié)動物在低氧條件下的生存能力，因此或許是氣候變化過程中應當被追蹤的一個重要基因。理想情況下，科學家們很快將驗證這個基因的功能，并且在不久的將來，或許能通過追蹤Alox15基因變體的頻率變化來幫助制定保育決策，以利于這種花栗鼠和其它高海拔地區(qū)物種的延續(xù)。說不定50年后，我們將能夠對Alox15進行基因編輯，幫助近危的物種增強適應能力。但在現(xiàn)階段，這還是一個設想。
科學家們利用館藏標本還做出了什么其它的發(fā)現(xiàn)嗎？
例子有很多。其中之一是，一項對芬蘭自然歷史博物館所藏標本的分析，揭示了兩個種群減少的蝴蝶物種在長達一個世紀的時間內，因種群減少而發(fā)生了遺傳多樣性的下降。另一個研究則發(fā)現(xiàn)，在1879至1959年間，瑞士伯爾尼的蜜蜂種群遺傳多樣性大致維持不變。這樣的區(qū)別指向了另一種人類活動的影響，即在后一個例子中，人工養(yǎng)殖很可能幫助保護了蜜蜂。
這些存于芬蘭自然歷史博物館的蝴蝶標本，幫助遺傳學家們記錄了兩種種群縮小的蝴蝶在一個世紀之中逐漸降低的遺傳多樣性。左側為朱紅眼蝶（Erebia embla），右側為罕萊灰蝶（Lycaena helle）。（來源：CREDIT: PEKKA MALINEN / FINNISH MUSEUM OF NATURAL HISTORY）
一項對鹿白足鼠（Peromyscus maniculatus）的基因組學分析，使用了新墨西哥大學的西南生物博物館和德克薩斯理工大學博物館所保存標本的血樣，并讓科學家們發(fā)現(xiàn)，1993年在美國西南地區(qū)的“四角落”諸州（即猶他州、科羅拉多州、新墨西哥州和亞利桑那州）致10人死亡的一種神秘的漢坦病毒，其實已經(jīng)悄然在該區(qū)域的嚙齒類動物中傳播開一段時間了。
還有一項最近剛登上《自然》雜志的很棒的研究：瑞典自然博物館和幾個其它研究所下屬的科學家們從百萬年前的猛犸標本中分離出了DNA，并進行了測序，發(fā)現(xiàn)了一個之前未知的西伯利亞猛犸支系，而該支系的后代就是最早穿越白令陸橋來到北美的那群猛犸。這樣的研究有助于我們深入了解不同古代動物種群之間的演化關系。
從那么古老的標本中也能獲得不錯的DNA分子序列信息嗎？
時好時壞。這和標本的保存方法有關，最好的方法是取大塊的組織，放在冷庫或液氮箱里凍著。保存的時長也很重要，標本藏得越久，DNA降解得就越多。
百年前，人們顯然還不知道DNA是何物、有何用，其結構和編碼遺傳信息的方式在二十世紀五六十年代才被發(fā)現(xiàn)。像格林奈爾這樣的人在那時也還完全不知道DNA的存在，但他們制作標本的方式使其在百年之后仍保存完好，讓后世的人還能夠從中提取出可用的DNA來。除了DNA之外，人們也在從標本中提取其它的生物分子并獲得序列信息，只是進展還比較緩慢。
目前，標本的保存方式正在由多方協(xié)調進行標準化，但這件事仍需更多的努力。我認為應該做一個全面的修訂，這將幫助我們更好地保存生物組織標本，以用于未來的長期研究。
世界各地的博物館保存著超過十億份生物標本，上圖展示了標本的類別和標本庫的所在地。（來源：Knowable雜志）
除此之外，該領域還面臨什么其它的挑戰(zhàn)嗎？
我們有兩點需要改進：決定保存何種標本，和如何記錄重要的標本相關信息。博物館過去保存的大多是生物整體的標本，但近些年來，研究者們開始對標本的基因或者是基因組資源更加感興趣，所以生物組織標本是我們所需要的標本類型。但是當我們查詢標本數(shù)據(jù)庫時，有時很難確定，一件有采集日期和地點等信息的生物標本，是否也有一份對應的組織標本可以用來測序。對于基因組學研究來說，最好是二者兼?zhèn)洹?/span>
另一個較大的挑戰(zhàn)是標本庫的數(shù)字化和系統(tǒng)整合，以便于我們掌握各博物館的館藏標本類別。標本的數(shù)字化工作已經(jīng)開展有十余年了，但是各標本庫的數(shù)字化資源并沒有得到較好的整合。我希望我們的這篇綜述論文能夠將這項工作繼續(xù)向前推進一點，因為要做的事情還有不少。
回到您關于蜥蜴的研究，請問您通過博物館基因組學的手段發(fā)現(xiàn)了什么呢？
我們仍在探究一些蜥蜴物種肢體發(fā)生退化的原因。這是一個演化上的現(xiàn)象，并且在爬行動物的演化過程中多次發(fā)生過，其中最為人知的例子就是蛇類。但爬行動物中的肢體退化不止在蛇類中出現(xiàn)，它發(fā)生的次數(shù)遠比我們想象的要多。一直以來，生物學家們認為蛇類的基因組中有一個叫做ZRS的區(qū)域與肢體的退化有關。但從目前的初步研究來看，在我關注的蜥蜴物種中，這個基因組區(qū)域并不是使它們肢體發(fā)生退化的重要原因，答案另有其它。
那么，為什么有必要找出基因組的某個區(qū)域與這樣的演化現(xiàn)象之間的關聯(lián)呢？
對于生物學家來說，這其實是至關重要的問題。是什么造就了在地面爬行的蛇，又是什么造就了在空中飛翔的鳥？作為生物學家，我們所關注的自然界中的差異，大多都是由基因所致，而我們對從基因到表型的發(fā)育過程的認識尚處于起步階段。在一些傳統(tǒng)的模式生物中，如人類、小鼠和果蠅，生物學家們開始有了較為深入的認識，但放眼萬物生靈，我們還知之甚少。
要回答這個體量龐大的生物學問題，博物館將會是靈感和研究材料的絕佳來源。對這個大問題的理解更能夠幫我們解決大困難。了解遺傳變異及其與生理學的聯(lián)系，尤其是在那些研究發(fā)現(xiàn)可能遷移到人類生物學領域的物種中，可能會對醫(yī)療保健或受生物學啟發(fā)的設計和工程產(chǎn)生影響。
翻譯對照表： Daren Card 達倫·卡德
Annual Review of Genetics 《遺傳學年度綜述》
the Museum of Vertebrate Zoology at the University of California, Berkeley 加州大學伯克利分校脊椎動物學博物館
Joseph Grinnell 約瑟夫·格林奈爾
Craig Moritz 克雷格·莫里茲
the Finnish Museum of Natural History 芬蘭自然歷史博物館
Bern, Switzerland 瑞士伯爾尼
Erebia embla 珠紅眼蝶
Lycaena helle 罕萊灰蝶
Peromyscus maniculatus 鹿白足鼠
the Museum of Southwestern Biology at the University of New Mexico 新墨西哥大學的西南生物博物館
the Four Corners region “四角落”諸州
hantavirus 漢坦病毒
Nature 《自然》雜志
the Swedish Museum of Natural History 瑞典自然博物館
the Bering land bridge 白令陸橋
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本文授權翻譯自Annual Reviews 旗下雜志 Knowable Magazine，點擊文末閱讀原文可訂閱其英文通訊。
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原文標題“Mining museums’ genomic treasures”，作者Eryn Brown，2022年4月27日發(fā)布于 Knowable Magazine。
封面圖CREDIT: MARINA MUUNKQED QUEST，來自Knowable Magazine網(wǎng)站。
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https://knowablemagazine.org/article/living-world/2022/mining-museums-genomic-treasures
