各种生物体的全基因组测序通过阐明所有基因，为生命科学做出了广泛贡献，也为生物进化的研究带来了很多知识。许多动物是二倍体，具有相同的父本和母本基因组，但非洲爪蟾被认为是异源四倍体，由于杂交和全基因组复制，在一个生物体中具有两个不同的基因组。因此，尽管它是一种非常有用的模式生物，但对其整个基因组进行测序被认为极其困难，并且它是唯一尚未测序的主要模式生物。然而，以日本和美国为首的国际财团试图对非洲爪蟾的整个基因组进行测序，并成功揭示了整个故事。所获得的信息有望在未来对从生物学到医学的各个研究领域做出巨大贡献。此外，他们还发现了爪蟾基因组中存在两种类型的基因组（亚基因组）的重要发现，它们被分成不同的染色体组。这清楚地表明，这种青蛙是一个异源四倍体物种，是大约1800万年前通过两个物种的杂交和全基因组复制而产生的，并且这两个亚基因组随后在同一生物体中以不同的方式进化。如今，各种各样的脊椎动物在地球上栖息和繁衍生息，其背后的最大因素被认为是据说发生在古生代寒武纪（大约5亿年前）的“两次全基因组重复”。爪蟾亚基因组的进化机制将成为解开这个谜团的重要钥匙，即所谓的罗塞塔石碑。这是生命科学领域的突破性成就。
＜背景和问题＞
一种生物体的所有遗传信息基因组，其主体是DNA。今天，各种生物体的基因组 DNA解码在那里获得的基因组信息对生命科学的发展做出了巨大贡献。同时，比较生物体之间的基因组信息给生物进化的研究带来很多知识。这是因为，通过检查在数十亿年的生命历史中不间断地传递给后代的基因组，人们认为有可能找到其中留下的进化过程的痕迹。到目前为止，脊椎动物的基因组测序首先在人类身上进行，此后重点关注世界各地许多研究人员使用的实验模型生物，例如小鼠、斑马鱼和青鳉（图 1）。非洲爪蛙（图2）从20世纪50年代至今，一直被用作研究动物发育机制和细胞特性的极其有用的实验模型动物。约翰·格登博士与山中伸弥博士一起获得了 2012 年诺贝尔生理学或医学奖，他因第一个用这种青蛙实验证明“细胞重编程”而闻名。然而，在具有悠久研究历史和迄今为止许多重要发现的主要模式生物中，唯一尚未被测序的生物是非洲爪蟾，其基因组复杂，难以测序。
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| 图 1。脊椎动物系统发育树和全基因组复制。系统发育树根据分类群的分歧日期显示，右侧显示基因组已测序的动物名称。据认为，大约 5 亿年前，脊椎动物的共同祖先中发生了两次全基因组复制（星号）。此外，硬骨鱼的共同祖先在大约32亿年前经历了第三次完整的基因组复制，虹鳟谱系在1亿年前经历了第四次完整的基因组复制。在两栖动物中，第三次全基因组复制发生在 1800 万年前的非洲爪蟾谱系中。 |
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| 图 2。非洲爪蛙和非洲爪蛙。 (a) 成年女性的比较。虽然它们看起来很相似，但非洲爪蛙比非洲爪蛙更大。 (b) 头部放大图。非洲爪蛙（上）和非洲爪蛙（下）具有不同的面部特征。该爪蟾是近交系 J 品系。 (c) 胚胎比较。非洲爪蟾（上）和非洲爪蟾（下）的胚胎。非洲爪蟾和埃及爪蟾的卵直径分别为12毫米和07毫米，其中非洲爪蟾较大，该阶段的胚胎也较大。 |
许多生物体是“二倍体”，具有从父亲和母亲遗传的两个相同类型的基因组，但有些生物体每种类型都有两个基因组，这称为异源四倍体''（图 3）。如图3所示，异源四倍体的触发因素是两个密切相关的物种的杂交，随后染色体数量加倍，即全基因组复制发生并变成异源四倍体。非洲爪蟾被认为是异源四倍体物种，是由新生代两个物种杂交产生的。然而，这两个祖先物种现已灭绝，不再存在。这样一来，非洲爪蟾的基因组可以说是一种蛙类中两种已灭绝祖先蛙的基因组。亚基因组;图4）可以说是共存的。因此，全基因组测序极具挑战性，因为有必要区分和破译这两个非常相似的亚基因组。然而，2009年，日本和美国成立了独立的项目组，开始解码全基因组，因为这对于生命科学作为主要模式生物的发展至关重要，而且它也为脊椎动物早期进化过程中被认为发生的两次全基因组重复提供了重要线索。
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| 图 3。异源四倍体是通过杂交体的全基因组复制而产生的。为简单起见，此处仅描绘了祖先物种中的一对染色体。祖先物种的实际染色体数量为 9 对，爪蟾的实际染色体数量为 18 对。 |
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| 图 4。异源四倍体有两个源自祖先物种的亚基因组。为了简单起见，我们只画了祖先物种a和b的两对染色体，编号1和2（实际上，祖先物种有9对，爪蟾有18对）。异源四倍体化后，同源染色体之间没有任何区别，但据认为其中一条现已变短。因此，我们将较长的命名为L（长），将较短的命名为S（短）。详细的基因组分析结果表明，L 和 S 染色体组对应于源自祖先物种的基因组（称为亚基因组）。因此，他们将两个亚基因组命名为L和S，也将祖先物种命名为L和S。这一发现使得分析多倍体化后亚基因组的变化成为可能。 |
＜研究内容＞
2012年，日本团队（代表：东京大学Makoto Taira）和美国团队（代表：加州大学Daniel Roxer和Richard Harland）同意作为国际联盟联合对基因组进行测序。使这一切成为可能的是日本自己的近交动物（J应变，图 2)。由于J株基因组的DNA碱基序列不存在个体差异，因此我们能够突出显示源自两个祖先物种的亚基因组碱基序列的差异。结果，美国团队能够揭示DNA短片段的碱基序列，并将它们像拼图一样拼凑在一起。然而，仅凭这一点不足以区分和破译源自两个非常相似的亚基因组的核苷酸序列。日本国家遗传学研究所的 Akisao Fujiyama 和 Atsushi Toyoda 团队揭示了极长 DNA 片段的碱基序列，而名古屋大学的 Yoichi Matsuda 和 Yoshinobu Uno 团队研究了数百个 DNA 片段，以确定这些 DNA 片段对应于 18 对爪蟾染色体中的哪一条。此外，以日本爪蟾研究小组（XCIJ）为母体的研究小组（广岛大学的铃木敦、北海道大学的福井明正、长滨生命科学大学的荻野一、东京大学的近藤真理子等16名成员）仔细地进行了需要耐心的详细确认工作。通过这些共同努力，我们最终成功地以极高的准确度逐条染色体地破译了整个基因组。
接下来，我们使用解码的全基因组 DNA 序列进行了分析。广岛大学 Akira Hikosaka 小组已“化石化”转座子的DNA序列，我们成功区分了从两个祖先物种继承的亚基因组（图4和图5）。令人惊讶的是，这两个亚基因组各自作为一组九条染色体保留在单个细胞内。换句话说，每个已灭绝祖先物种所拥有的九条染色体在爪蟾中几乎保持完整。而且，仔细比较发现，一组染色体的长度略短于另一组（图4和图5）。因此，我们将这组长染色体命名为L（长），将短染色体命名为S（短），并将它们起源的已灭绝祖先物种命名为L和S，以及相应的亚基因组L和S。
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| 图 5 非洲爪蟾亚基因组的鉴定。使用 FISH 方法使用亚基因组 S 特有的“化石”DNA 序列将染色体（蓝色）染成红色。在 S 染色体 1 至 9 (9_10) 上可以看到更多的红色染色。这些被认为起源于祖先物种 S 9 号染色体被称为 9_10 号染色体，因为它对应于埃及伊蚊 9 号和 10 号染色体的融合。 |
通过区分亚基因组L和S，我们发现这两个祖先物种出现在大约3400万年前，并且它们在大约1800万年前，新生代中新世初期杂交并成为异源四倍体（图4）。在非洲爪蟾基因组中总共发现了 45,099 个基因。这个数字在密切相关的二倍体物种中更高网袜青蛙的两倍（表1）。当我们匹配染色体中存在的基因时，我们发现两条非洲爪蟾染色体 L 和 S 与一条非洲爪蟾染色体完全对应。更详细的比较发现，L染色体组与埃及爪蟾的染色体更加相似，而S染色体组比S染色体组缺失的基因更多。使用上也存在很大差异，L染色体组的基因使用频率更高。这些结果首次揭示了全基因组复制后亚基因组在成为异源四倍体时如何进化。
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| 表1 基因数量比较和同源基因的保存情况。 |
＜结论与未来展望＞
那么成为异源四倍体有什么优势呢？从爪蟾属青蛙的栖息地来看，二倍体物种仅限于赤道附近地区，但异源四倍体物种的范围已扩大（图6）。这个广阔的范围是许多异源四倍体物种的家园，包括非洲爪蟾，所有这些物种都基于大约 1800 万年前的单一异源四倍体转变。第一个以这种方式成为异源四倍体的物种获得了两个不同的亚基因组，赋予其适应环境和克服生存斗争的进化潜力，因此，人们认为它在进化为多个物种的同时扩大了其活动范围。不难想象，二倍体祖先物种灭绝是因为它被异源四倍体后代超越了，这些后代的基因组结合了两个物种各自的优越基因。
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| 图6异源多倍化带来了什么？显示非洲爪蟾属二倍体和异源四倍体物种的范围（根据 Evans 等人，2004 年修改）。二倍体物种仅限于赤道附近的热带地区，而四倍体物种广泛分布于从乍得到南非。由此认为，异源四倍体增加了它们适应环境的能力，并在更大范围内扩大了它们的生活范围。二倍体埃及伊蚊的最适温度约为 26 度，而异源四倍体非洲爪蟾的最适温度为 14 至 23 度。 |
全基因组复制被认为是生物体进化过程中经常发生的现象。这方面的一个例子是“两次全基因组复制”，据说发生在古生代寒武纪（大约 5 亿年前）脊椎动物出现期间。这大大增加了基因的数量，这被认为是导致脊椎动物诞生及其随后多样化和繁荣的一个因素。此后，一些脊椎动物经历了第三次或第四次完整的基因组复制。例如，整个基因组复制在大约 32 亿年前的硬骨鱼家族中发生了第三次，在大约 1 亿年前的虹鳟谱系中发生了第四次（图 1）。然而，在这两种情况下，基因组复制已经过去了一亿多年，因此亚基因组尚未被揭示。通过破译非洲爪蟾的基因组，其整个基因组复制发生得相对较晚，大约在1800万年前，我们首次能够区分亚基因组，并基于此，我们首次能够阐明复制后亚基因组的变化。在非洲爪蟾属的青蛙中，已经发现了预计会经历第四次和第五次全基因组复制的物种。通过进一步进行这样的分析，我们或许能够揭开解密脊椎动物早期进化过程中神秘的两次全基因组重复（据说发生在大约5亿年前）和鱼类谱系中的全基因组重复（据说发生在大约32亿年前和大约1亿年前）对后来进化的影响的关键。罗塞塔石碑解开在基因组中留下痕迹的脊椎动物进化路径之谜，将是人类的一笔巨大的智力资产。
使用全基因组信息的方法有很多。非洲爪蟾已被用作模式生物来分析基因及其在胚胎发育、细胞功能等中的分子机制的作用，但预计通过使用本研究中获得的全基因组信息将获得更多的知识。例如，一种名为“基因组编辑”的修改基因的技术近年来引起了人们的关注，通过使用这种基于全基因组信息的技术，可以修改任何基因并分析该基因的作用。这些利用非洲爪蟾的分析将有助于人类遗传疾病的诊断和治疗，并将极大地促进生命科学的发展。
◇该论文涉及的日本团队机构及共同作者名单（18个机构、23个实验室）
东京大学
Maki Taira（东京大学研究生院理学研究科生物科学系副教授）
Mariko Kondo（东京大学研究生院科学研究生院海洋研究所副教授）
道上龙夫（东京大学教授）
铃木稔（东京大学前沿科学研究生院教授）
国家遗传学研究所
Akisao Fujiyama（国立遗传学研究所信息与系统研究机构高级基因组推进中心特聘教授）
Atsushi Toyoda（国立遗传学研究所生物信息学中心特聘教授，信息与系统研究机构）
名古屋大学
松田洋一（名古屋大学生物农业科学研究生院应用分子生命科学系教授）
Yoshinobu Uno（名古屋大学生物农业研究生院应用分子生命科学系研究员）
广岛大学
高桥秀治（广岛大学研究生院理学研究科两栖动物研究中心特聘副教授）
Akira Hikosaka（广岛大学综合艺术与科学研究生院副教授）
Atsushi Suzuki（广岛大学科学研究生院生物科学系两栖动物研究中心副教授）
基础生物学研究所
上野直人（国立自然科学研究所国立基础生物学研究所形态发生研究部教授）
Takamasa Yamamoto（国立自然科学研究所国立基础生物学研究所形态发生研究部特聘专家）
高木知世（国立自然科学研究所基础生物学研究所形态发生研究部技术人员）
国立产业技术综合研究所
浅岛诚（米乐m6官方网站）药物发现基础研究部荣誉院士)
Etsukazu Haramoto（米乐m6官方网站药物发现基础研究部首席研究员）
伊藤由水（米乐m6官方网站药物发现基础研究部研究组组长）
北海道大学
福井彰正（北海道大学尖端生命科学研究生院副教授）
长滨生物大学
Hajime Ogino（长滨生物科学大学生物科学学院动物生物科学系教授）
山形大学
越智义郎（山形大学医学部医学科学振兴院副教授）
国家儿童健康与发展中心
Yoko Kuroki（国家儿童健康与发展中心基因组医学处主任）
东京工业大学
Toshiaki Tanaka（东京工业大学生命科学技术学院助理教授）
德岛大学
渡边稔（德岛大学综合科学部教授）
立教大学
木下勉（立教大学理学院教授）
马里兰大学
Yuko Ota（马里兰大学助理教授）
北里大学
海渕修二（北里大学北里生命科学研究所特聘助理教授）
伊藤道彦（北里大学理学院副教授）
弗吉尼亚大学
Takuya Nakayama（弗吉尼亚大学研究科学家）
新泻大学
Yumi Izutsu（新泻大学副教授）
冲绳科学技术大学院大学
Yuri Yasuoka（冲绳科学技术研究所研究生大学海洋基因组学组博士后学者）
◇主要研究费用
科学研究补助金“基因组支持”（国立遗传学研究所、东京大学、国家儿童健康与发展中心），科学研究补助金（A、B、C）
◇其他主要机构及主要合著者
加州大学伯克利分校（美国）（Adam Sessions、Daniel Roxer、Richard Harland）
蔚山国立科学技术学院（韩国）（Taejun Kwan）
Radbound 分子生命科学研究所（荷兰）（Simon van Heeeringen、Gert Veenstra）
索尔克研究所（美国）（伊恩·奎格利）
冲绳科学技术研究所研究生大学（日本）（Daniel Rokser、Oleg Simakov）