最近的一项研究揭示了乌龟基因组独特的三维结构，显示出一种不同于所有已知动物基因组的配置。
DNA由长序列的核苷酸组成，是一个蕴含遗传信息的宝藏，为生物提供指导——本质上是生命的蓝图。然而，这个蓝图的组织方式显著影响其解释和利用方式。
在细胞分裂过程中，缠绕在蛋白质周围的DNA链（称为染色质）形成紧密包装的染色体。在细胞分裂后，这些染色体会松弛，染色质变得不那么致密。这些染色质纤维的折叠和环绕方式会影响基因的激活。来自爱荷华州立大学的科研团队所领导的研究为这一复杂过程提供了新的视角，这可能具有重要的生物医学意义。
“折叠染色质的三维配置对于基因调控至关重要。染色质在细胞核内的空间定位影响其功能。染色质折叠的变化会影响基因组功能以及发育途径，推动进化和对不同条件的适应，”专攻生态学、进化学和生物学的爱荷华州立大学教授妮可·瓦伦祖埃拉（Nicole Valenzuela）表示。“染色体折叠的复杂性仍然有些难以捉摸。尽管我们获得了重要的见解，但仅仅是开始。
在细胞周期的间期阶段，分裂后的染色体的空间排列和形状对基因功能至关重要，因为它们促进远离区域之间的接触——比如增强子序列与基因启动子之间的接触。在活跃的染色质区域内，易于接近的DNA更容易被表达，而位于不太容易接近的抑制染色质中的DNA则保持不活跃。
通过检查不同DNA区域彼此之间的相互作用频率，研究人员创建了来自人类和其他常用研究物种（如小鼠和鸟类）的染色质不同结构配置的模型。得益于瓦伦祖埃拉的研究团队的努力，乌龟现在也可以被加入到这个列表中。在最近发表的基因组研究上，研究人员详细介绍了对两种乌龟物种基因组的发现，揭示了一种在其他生物中前所未见的意外染色质排列。
独特的排列
染色体有一个称为着丝粒的中心部分，其末端用称为端粒的重复DNA序列封顶。在人类中，染色体存在于细胞核内的不同区域，而在一些动物中，如有袋动物，染色体聚集以允许着丝粒之间的相互作用。在其他物种中，如鸟类，它们主要聚集是为了将端粒靠近。值得注意的是，迄今为止研究的动物中，乌龟是唯一将端粒和着丝粒紧密排列在一起的动物。这些折叠和组织的变化导致不同谱系特有的独特基因调控。
“这种排列可能代表着卵生动物的祖先状态，这一组动物中的哺乳动物、鸟类和爬行动物分别以不同方式分化。乌龟可能向我们展示了我们的进化起源，提供了脊椎动物基因组发展的见解，”瓦伦祖埃拉解释道。
通过增强我们对乌龟三维基因组结构及其对环境因素反应的理解，研究人员旨在揭示可能惠及人类医学的特征的遗传基础。例如，一些乌龟能够在没有氧气的情况下忍受较长时间，这可能激励中风患者的治疗。同样，了解某些乌龟如何耐受极端寒冷也可能改善人类组织的冷冻保存技术。
“我们努力理解为什么不同谱系表现出相似性和差异性，以识别共享特征和独特特征，”瓦伦祖埃拉指出，强调她对乌龟生物学的关注。“通过重建这些变化的进化进程，我们可以更清楚地了解DNA的组织和折叠如何影响我们感兴趣的特征、基因调控以及脊椎动物基因组的进化。此外，了解乌龟染色质结构如何对外部因素反应，将有助于通过预见环境变化可能对其生物学产生的影响来促进保护工作。”
这项研究部分获得了来自国家科学基金会的两项资助。
展望未来
瓦伦祖埃拉的实验室计划继续研究乌龟基因组的空间组织。未来目标包括研究更多的乌龟物种。虽然当前研究集中在针头软壳乌龟和北方巨型麝香乌龟上，瓦伦祖埃拉的团队已经收集了更多四种乌龟物种的数据以供进一步研究。此外，她希望能够将乌龟基因组与鳄鱼、蜥蜴和蛇的基因组进行比较，以确定它们之间是否存在类似的染色质排列。
为了深入研究乌龟染色质折叠的功能，瓦伦祖埃拉计划研究肝脏类器官——小型实验室培养的细胞群，类似于肝脏组织——她的实验室已经为三种乌龟创建了这些器官。
更先进的制图技术也将提升未来的研究，产生高分辨率数据，以制作详细的染色质图，并探索三维染色质结构如何随时间和不同环境的变化而变化。
“要有效地将基因型与表型联系起来，我们需要达到这种复杂性的水平，”她补充道。
