伦敦大学学院(University College London)的一个研究小组现在开发了一种工具,打破了这一障碍,将一个多步骤、仅限专家的过程转变为一个自动化的工作流。他们创建了一个名为 EXCON 的流程(pipeline),它充当了分析基因家族如何增长与缩小的完整指南。EXCON 不再要求研究人员手动下载基因组文件、进行格式化处理,并运行独立的程序来寻找相关基因及模拟其进化过程,而是负责从头到尾的每一个步骤。它从收集基因组数据开始,检查数据的质量,识别不同物种间相关的基因组群,然后使用统计模型来精确计算基因家族在何时何地发生了扩张或收缩。该系统设计具有可移植性,这意味着它可以在标准笔记本电脑、强大的大学超级计算机或云端运行,并能自动调整其计算方式以确保结果的可靠性。
为了测试这个新工具是否有效,研究人员将其应用于二十四种不同的灵长类物种,涵盖了从狐猴、类人猿到猴类、类人猿以及人类的广泛范围。这一数据集跨越了大约七千一百万年的进化历程。该流程成功处理了数据,并识别出三百五十八个正在快速进化的基因家族,这些基因家族在灵长类动物的进化树上表现出了显著的拷贝数量变化。其中一个最引人注目的发现涉及到一个被称为 DUX 的特定基因家族,它位于基因组中一个高度不稳定的区域。分析显示,该基因家族并非仅仅在单一谱系中发生变化,相反,它在灵长类树状结构的许多不同分支上经历了反复且独立的扩张与收缩爆发。例如,该基因家族在猕猴和猩猩中经历了剧烈扩张,但在狒狒和其他物种中则发生了收缩。这种模式与科学家已知的该基因所在 DNA 区域的物理不稳定性相吻合,证实了这一自动化流程能够在没有任何人工预先干预的情况下,检测出真实的、复杂的进化信号。
生物学发现: 分析识别出了 358 个快速进化的基因家族。值得注意的是,它在多个谱系中检测到了 DUX (double homeobox) 基因家族 (OG0000017) 独立的双向拷贝数周转。这一发现与 DUX 所在的 D4Z4 宏卫星重复序列的已知不稳定性相吻切,证明了该流水线能够在没有预先人工策展的情况下恢复真实的进化信号。
功能富集: GO 分析揭示了不同的模式:扩张的家族在翻译机制和核糖体亚基方面表现出富集;而特定谱系(如 Homo sapiens)中收缩的家族在线粒体和氧化磷酸化术语方面表现出富集。在 Eulemur actually (狐猴) 中发现了明显的谱系特异性化学感受器扩张信号,这与原猴亚目中嗅觉受体的保留是一致的。