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人类首次成功重组灭绝700年灌木恐鸟完整基因组,真实版“侏罗纪公园”或不再是幻想

迄今为止,地球已经经历了五次物种大灭绝。而今,许多专家警告说,第六次物种大灭绝已经到来,人类就是罪魁祸首。仅仅在 17 世纪到 20 世纪末的短短 300 年里,单是动物,已有 300 多种永远离我们而去,包括渡渡鸟,大海雀等。令人痛心疾首的是,据统计,在未来 50 年中,地球陆地上四分之一的动物和植物如帝企鹅,中华鲟等都将遭到灭顶之灾。

日益严峻的生物多样性问题已经开始危及人类生存本身,科学家们也一直在尝试如何减缓这一过程,其中就包括尝试复活灭绝物种。


图 | 帝企鹅

近日,来自哈佛大学的科学家们用现代技术成功首次完整重组灭绝了 700 年的小灌木恐鸟基因组,这使得绝迹基因组学向实现 De-extinction (复活灭绝物种)目标——重现绝迹物种——更进了一步。


图 | 大灌木恐鸟

灌木恐鸟隶属于始鸟下纲,近亲有鹬鸵,鸵鸟和鸸鹋,它根据大小被分为九种,但现在全部都已灭绝。其中,小灌木恐鸟是该物种最小和最常见的变种,平均身高约 4 英尺,体重约 66 磅,以植物为食。

根据新西兰导报(the NZ Herald),它们原先生活在新西兰北岛和南岛的森林中,但在公元 14 世纪后期,因波利尼西亚人的过度捕猎,灌木恐鸟灭绝了。


图 | 不同种类的灌木恐鸟

此研究虽然目前只在线上展示了非同行评议,正式论文尚未发表,但在绝迹基因组领域中已经轰动非凡。

来自加州大学圣克鲁斯分校的 Beth Shapiro,曾在 2017 年重组了侯鸽基因组。他表示,这个研究"超级酷",因为它"重现了自然情况下,永远不可能重新出现的绝迹基因组"。

来自丹麦自然历史博物馆的灭绝物种基因组专家 Morten Erik Allentoft 也称这是"重大的进步"。并且,这也是 Revive and Restore 现在关注的问题之一——该组织是一个非营利性保护组织,旨在重现已灭绝物种,如侯鸽、猛犸等。

Revive and Restore 首席科学家本 Novak 认为,这项研究意义非凡,因为现在我们可以将他们的方法用在'复活'其他物种了。该组织创始人之一 Stewart Brand 说:"De-extinction (复活灭绝物种)时代逐渐来临。最终,它将被视为另一种形式的物种复活,"像把狼带回黄石公园,并将海狸送回瑞典和苏格兰。"


图丨"复活"灌木恐鸟的技术原理和"复活"猛犸象的原理相同

那么科学家们是怎么实现的呢?首先,科学家从一个灌木恐鸟标本中收集了耻骨样本,该标本陈列于多伦多皇家安大略博物馆。

然后,他们再从其中提取 DNA。然而,这一步并未听起来那么简单。根据来自加州大学旧金山分校的 Shapiro,"DNA 的衰变在死亡的几天内就开始了。因此,来自标本的 DNA 就像酒杯碎片一样。"幸运的是,今天的高通量基因组测序仪能够完美地解决这个问题!

高通量基因测序,又名大规模平行测序,是将 DNA(或者 cDNA)随机片段化、加接头,制备测序文库,通过对文库中数以万计的克隆 (colony) 进行延伸反应,检测对应的信号,最终获取序列信息。与 Sanger 法为代表的传统测序法相比,高通量测序技术在处理大规模样品时具有显著的优势,又快(两天)又多(数百万克隆),成为目前组学研究的主要技术。

借助高通量基因组测序仪,科学家们实现了 DNA 片段的序列测定。接下来就需要定位 DNA 片断在基因组上的位置:以何种顺序位于哪些染色体上。

为此,哈佛大学的 Alison Cloutier 和其他成员分析了数百万个 DNA 片段中近 9 亿个核苷酸,并通过与鸸鹋的基因组相对照以定位 DNA 片段的位置。这是因为鸟类基因组,包括其他八种(都已灭绝)恐鸟,都具有相似的结构。也就是说,控制特定性状的基因倾向于位于相同的染色体上,不同基因的排列方式也相似。


图 | 小灌木恐鸟与几种近亲鸟类基因组对比

事实上,这种通过近亲对比的方法已被广泛用于古基因研究。例如 Shapiro 和她的研究小组利用带状鸽的基因组来重组侯鸽短 DNA 片段的序列。目前,她也正在努力为渡渡鸟做类似的事情:用尼科巴鸽子(与渡渡鸟血缘关系最近的物种)的基因组作为模板。

再如,哈佛大学的 George Church 团队正在对大象染色体进行测序,用于猛犸 DNA 重组的参考。此外根据研究,猛犸的灭绝与疱疹病毒感染有关。因此,Church 团队计划在重组基因组之前,先用基因工程导入疱疹病毒抗性基因。Church 表示,今年他们将宣布研究进展。


图丨Ben Mezrich讲述全世界范围内复活猛犸象的新著《长毛象:复活史上最具标志性的灭绝生物的真实故事》(Woolly: The True Story Of The Quest To Revive One Of History's Most Iconic Extinct Species)

在这次的研究中,哈佛大学的科学家们恢复了恐鸟大约 85% 的基因组。

"另 15% 很难通过鸸鹋的基因组恢复。"Novak 说,"要将微小的片断拼接成完整的基因组非常困难。"普林斯顿大学博士后 Charlie Feigin 也表示了相同的看法:"你可以从近亲物种上寻找线索,但这不能保证能获得完整且正确的灭绝物种基因组。"

鉴于此,尽管科学家将组装后的灭绝物种基因组注入活体物种的卵子后,能重现这种灭绝物种,但是它可能不会是原始物种的完美复制品。举个例子,与原始侯鸽相比,这样得到的侯鸽可能以相同食物为食,但有着不同的生殖和社会行为。

而且,在鸟类卵子中实现基因组导入其实比在哺乳动物中更困难。众所周知,哺乳动物的基因可以通过克隆技术重组到哺乳动物卵细胞中,这也就是最初轰动一时的"多利羊技术"。

"但至少目前为止,这在野生鸟类中并不适用。"Brand 说。唯一一个变通方法是将基因组转化导入到能分化成卵子或精子的胚胎细胞中,这种方法最近在家鸡中取得成功。


事实上,重组绝迹基因组在这个领域并不罕见。根据 Novak:"正式报道已有四五种绝迹基因组重组研究,但实际上正在进行绝迹基因组重组的研究数量可能是发表数量的四倍。"

其中,接近实现基因组重组的物种包括猛犸象,侯鸽和两种已灭绝的古人类,尼安德特人和丹尼索瓦人。另外,在还处于"基因组石器时代"的 1984 年,就实现了斑驴的 DNA 测序,这是第一个实现 DNA 测序的绝迹物种,但它不符合现代标准。

图 | 尼安德特人


图 | 丹尼索瓦人

除此之外,科学家们也接近重组了渡渡鸟和大海雀的基因组。渡渡鸟,是仅产于印度洋毛里求斯岛上一种不会飞的鸟,在 17 世纪末期灭绝;大海雀,产于北大西洋,在 19 世纪中期灭绝。另外,上个月,澳大利亚的研究人员揭开了塔斯马尼亚虎的基因组,该物种在 1936 年灭绝。


图 | 渡渡鸟模型

然而,还有一些科学家不支持复活这些灭绝物种,因为物竞天择,人为重现的物种在激烈的竞争中可能也不会继续幸存下去。另外,一些反对者则认为,科学家应该更加关注正遭受灭绝威胁的新物种。

昆士兰大学的科学家 Hugh Possingham 在一份声明中表示:"如果我们确保它不会减少现有的资源,那么 De-extinction 的概念可能有助于新科学领域的诞生并有利于环境保护。"

"但是,把重点放在目前亟需帮助的物种上才是最好的。"他补充说。


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