生命依赖于基因在恰当的时间开关。即使是最简单的生物体也会这样做，但通常是在DNA序列的短距离内，开关通常就在基因旁边。这种基本的基因组调控形式可能与地球上的生命一样古老。一项新的研究发现，控制远处基因的能力在650到700百万年前进化而来，它可能出现在动物进化的黎明时期，比之前认为的早约1.5亿年。这项关键的创新很可能起源于一种海洋生物，即所有现存动物的共同祖先。
一项今天在《自然》杂志上发表的新研究由基因组调控中心（CRG）和国家基因组分析中心（CNAG）的研究人员进行，发现控制远处基因的能力是在650到700百万年前进化而来的。它很可能出现在动物进化的黎明时期，比之前认为的早约1.5亿年。
远距离基因控制，称为远端调控，依赖于物理折叠DNA和蛋白质形成复杂的环。这允许距离基因起始点较远的区域激活其功能。这层额外的控制可能帮助第一批多细胞动物构建专门的细胞类型和组织，而无需发明新的基因。
这项关键创新可能起源于一种海洋生物，即所有现存动物的共同祖先。这种古代动物进化出以可控的方式折叠DNA的能力，在三维空间中创建环，将远离的DNA片段直接接触在一起。
“这种生物像瑞士军刀一样可以以不同的方式重新利用其遗传工具包，使其能够完善和探索创新的生存策略。我们没有预料到这层复杂性如此古老，”研究的第一作者、基因组调控中心（CRG）和国家基因组分析中心（CNAG）的博士后研究员Iana Kim博士说。
研究的作者通过探索许多动物家谱上最古老的分支的基因组发现了这一点，包括像“海核桃”（Mnemiopsis leidyi）的梳状水母、板状动物、刺胞动物和海绵。他们还研究了与动物不属于同一类但共享最近共同祖先的单细胞亲戚。
“通过观察奇特的海洋生物，你可以发现许多新的生物学。到目前为止，我们一直在比较基因组序列，但由于新方法，我们现在可以分析控制跨物种基因组功能的基因调控机制，”ICREA研究教授Arnau Sebe-Pedrós，研究的通讯作者和基因组调控中心的组长解释道。
研究小组使用一种称为Micro-C的技术来绘制他们研究的11种不同物种的DNA在细胞内是如何物理折叠的。为了规模化，每个人体细胞核包装约两米的DNA。研究人员 sifted 通过100亿条测序数据，详细构建每个物种的3D基因组图。
尽管在动物的单细胞亲属中没有远端调控的证据，但早期分支动物如梳状水母、板状动物和刺胞动物具有许多环。仅海核桃就有超过四千个全基因组环。考虑到它的基因组仅约2亿条DNA字母，这一发现令人惊讶。相比之下，人类基因组为31亿条字母，而我们的细胞可以有数万个环。
直到现在，远端调控被认为是在双侧动物的最后共同祖先中首次出现的，这是一组在大约5亿年前首次出现在地球上的许多不同类型的动物。然而，梳状水母的祖先在大约6.5亿到7亿年前就与其他动物谱系早期分化。
关于梳状水母是否比海绵在生命树上更古老，是一个长期存在于进化生物学界的辩论，但该研究表明，远端调控至少早于之前的想法150百万年。
该研究还有一个令人惊讶的发现。许多动物是脊椎动物。在它们的细胞中，环由CTCF控制，这是一种建筑蛋白，定义边界并将基因划分到不同的局部邻域。这是哺乳动物、鸟类、爬行动物、两栖动物和鱼类基因组结构的基础单元。然而，早期分支动物的基因组并不编码CTCF的任何等价蛋白。相反，作者发现梳状水母使用一种属于同一结构家族的不同建筑蛋白。这一发现打破了先进基因组、远端调控需依赖CTCF的假设。
“相同的问题用不同的工具解决是令人印象深刻的。多亏了这项工作，我们现在知道可以使用两种不同的蛋白质将远端DNA片段在空间中结合形成环。进化不是很神奇吗？”ICREA研究教授Marc A. Marti-Renom说，他是国家基因组分析中心和基因组调控中心的研究小组负责人。
和海绵及梳状水母一样，人类也由相同的DNA基本构件构成。今天，我们的身体依赖于远端调控的古代创新，以帮助从相同的DNA中创造不同类型的细胞，产生从脑细胞到免疫细胞等一切。当这些接触出错时，疾病可能会发生。
通过追溯到几亿年前生活的动物的远端调控，研究人员可以开始拼凑最早的基因组调控如何形成，为我们今天掌控细胞和身体的基本原则提供新的线索。这可以帮助我们理解该系统在哪里稳健，哪里容易出错，从而潜在地指导新的医学见解或治疗。
这项工作由基因组调控中心（CRG）主导，与Marc A. Marti Renom的团队、卑尔根大学、伦敦玛丽女王大学、广岛县立大学和阿尔伯塔大学合作进行。该研究获得了欧盟欧洲研究委员会（ERC）启动资助。
