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PNAS: 基因数据揭秘, 改变饮食习惯后北极熊越变越白

  早在40万年前,北极熊跟棕熊还是一家亲的时,北极熊还没有那么白。后来由于某种原因(可能是北极熊觉得伙食条件太差),两个家族分道扬镳。

  北极熊的族长带领族人熊迁徙到北极。在苦寒之地缺衣少食,但是北极熊励志要成为“北大荒”食物链顶端的那头熊,于是放弃了“素食者”的身份转变成“肉食者”。

  可能是“营养条件”跟上了,北极熊变得越来越富态白皙,还得到了“豪华皮肤”,进化出一身雪白的熊皮大氅。

  近日,《美国国家科学院学报》上发表的一篇论文为以上小编一本正经的胡说八道提供了有力证明。这是第一个研究北极熊和棕熊全基因组拷贝数变异(CNV,指个体之间基因组特定部分拷贝数的差异)的群体研究。

  美国科学家们从基因组层面对北极熊生态适应进行了新的探究。他们明确指出:北极熊的基因拷贝数在饮食结构从植物转向肉类时发生了快速变化。

  饮食对北极熊CNV的影响

  棕熊是杂食动物,主要以浆果、草、香草、树根和球茎等植物为食,自从与棕熊各自为政后,北极熊迅速进化成食肉动物,以海豹和其他动物为食。

  北极熊、棕熊、黑熊之间的基因差异

  研究人员利用现有的原始全基因组DNA序列数据,比较了17只北极熊、9只棕熊和2只黑熊基因拷贝数的差异。

  研究结果表明,这种差异在北极熊适应北极的过程中发挥了重要作用。

  美国马萨诸塞大学食品研究助理John G. Gibbons表示,他和他的同事观察到与熊饮食有关的基因拷贝数的差异。这项研究解决了一个大的进化问题,即饮食如何塑造基因组。

  两个意外的发现

  研究人员在比对全基因组DNA序列数据时还意外收获了两个奇妙的发现。

  在被标注为嗅觉受体的基因中,88%的基因在北极熊身上的拷贝数比棕熊和黑熊要低。

  Gibbons解释道:“首先北极地区的气味比较少。其次,北极熊主要专注于两件事——海豹和配偶。它们不像棕熊那样在丛林中寻找食物。”

  另一个发现是,北极熊比棕熊拥有更少的AMY1B基因副本。AMY1B编码唾液淀粉酶,这种酶在动物咀嚼植物性食物时启动淀粉的消化。

  Gibbons说:“吃高淀粉食物的人群比吃低淀粉食物的人群有更多的这种基因拷贝。我们在熊身上也发现了同样的情况。如果你想想它们的饮食,这是有道理的。”

  CNV将是研究自然选择的新工具

  以前传统的研究方法,CNV很难被检测到,所以它们总是被忽视。近15年来,随着DNA测序技术的发展,从基因组数据中检测和量化CNVs的计算方法也得到了发展。此次对北极熊的研究数据正好填补这个空白。

  这项研究充分显示了分析CNV在研究自然选择驱动进化变化时的重要作用。

  Gibbons说:“进化作用于不同类型的基因变异,以达到同样的目的。现在我们已经有了检测CNVs的技术,大家一致认为,这种类型的突变应该与传统的检测自然选择形成的基因组部分的方法一起进行检测。”

  研究人员计划在北极熊基因组研究的基础上,对另一个物种(智人)进行研究。

  下一步研究者打算观察两个不同的人类群体,看看我们是否在拷贝数变异上看到相似的差异。

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