科学家们成功测序了动物王国中最大的基因组，属于肺鱼。这项研究为现代陆生脊椎动物的鱼类祖先如何适应陆地生活提供了见解。
该基因组的大小是人类的三十倍：一个由康斯坦茨的进化生物学家阿克塞尔·迈耶和维尔茨堡的生物化学家曼弗雷德·沙特尔领导的国际研究小组，测序了肺鱼基因组，这是已知的动物中最大的一种。它们的发现阐明了今天的陆生脊椎动物的鱼类祖先是如何过渡到陆地生活的。
让我们回到德文纪（约4.2亿到3.6亿年前），在水域附近的浅水区发生了一次重大事件：一条肉鳍鱼用其坚固的胸鳍爬上陆地，把身体滑过泥泞的海岸。这条鱼并不急于回到水中，因为它有肺，和今天的陆栖脊椎动物类似。
这一情景可能代表了脊椎动物登陆的最早实例之一，标志着进化历史上的一个关键时刻。所有后来的陆栖脊椎动物，通常称为四足动物，包括两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物（包括人类）都可以追溯到这一水生祖先。然而，仍然存在一个问题：是什么使得肉鳍鱼如此适应于转向陆地生活？
对其生存亲属的研究
为了解答这一长期存在的问题，科学家们分析了肺鱼的遗传物质，肺鱼是我们古老德文纪祖先最亲近的生存亲属。目前有三条肺鱼的谱系：一条在非洲，一条在南美，还有一条在澳大利亚。这些古老的“活化石”似乎在时间上变化很小，与其祖先相似。由于DNA是我们的遗传物质，它由核苷酸组成，这些核苷酸的排列编码了遗传信息，因此对肺鱼基因组的比较分析只有在获取其完整序列的情况下才能进行。
虽然以前已知肺鱼拥有巨大的基因组，但其巨大规模及其含义直到现在才得以理解。测序这些基因组是一项复杂的任务，从技术和生物信息学的角度都需要重大努力。尽管如此，阿克塞尔·迈耶和曼弗雷德·沙特尔的国际团队成功测序了南美肺鱼的基因组以及一个来自非洲谱系的基因组。之前对澳大利亚肺鱼（新喙肺鱼）的最大基因组序列已经由同一研究人员完成。它们的研究结果发表在期刊《自然》上。
真实巨大，但为什么？
具体来说，南美肺鱼的遗传物质打破了所有大小记录。“超过90千兆碱基——900亿个碱基——该物种的DNA是动物中最大的基因组，是之前记录保持者澳大利亚肺鱼的两倍多。值得注意的是，南美肺鱼的19条染色体中有18条的个体大小都大于整个近30亿碱基的人类基因组，”迈耶表示。肺鱼基因组随时间扩展的主要原因可以归因于自主转座元件，这是一种自我复制并在基因组内改变位置的DNA序列，从而导致生长。
虽然这种现象也在其他生物中观察到，但团队的分析显示，南美肺鱼的基因组扩展速率是前所未有的：其基因组大约每千万年增长相当于整个人类基因组。“而且它仍在继续增长，”迈耶指出，并补充说他们发现活跃的转座元件仍在发挥作用。研究人员确认，这种令人难以置信的基因组增长至少部分是由于piRNA的极低丰度，piRNA是一种参与转座元件沉默的RNA。
然而出奇地稳定
虽然转座元件可以在基因组内复制和移动，影响其生长，但这一过程也可能显著改变生物的遗传物质并造成不稳定性。令人惊讶的是，研究发现转座元件的高数量与基因组不稳定性之间没有相关性；相反，肺鱼的基因组显示出显著的稳定性，基因排列相对保守。这种稳定性使得研究团队能够根据当前现存肺鱼物种的序列重建祖先四足动物的染色体结构（核型）。
此外，比较肺鱼基因组提供了有关现存谱系间遗传差异的见解。例如，澳大利亚肺鱼仍保留其肢体状的鳍，曾使其祖先能够在陆地上导航。同时，非洲和南美肺鱼的鳍在过去1亿年演变回丝状结构。“我们的研究还利用CRISPR-Cas转基因小鼠的实验来证明，这种鳍的简化是Shh信号通路变化的结果，”迈耶解释说。
这一通路在包括确定老鼠手指的数量和形成等各种物种的胚胎发育中至关重要，从而提供了关于硬骨鱼的鳍与陆生脊椎动物手指之间的进化联系的进一步证据。由于最近的研究现在已获得所有现存肺鱼家族的完整基因组序列，预计后续的比较基因组研究将产生更多关于陆生脊椎动物的肉鳍祖先的洞见，帮助揭示脊椎动物如何过渡到陆地的奥秘。
