拼接袋狼的DNA序列
来源：中国数字科技馆
左图是袋狼的生前照片，直到澳大利亚被欧洲殖民前，它是唯一存活下来的有袋类顶级捕食者。袋狼奇特的外观使得科学家们收集了其许多标本，其中右图显示的标本编号为C5757，该标本曾被用于袋狼基因组的测序。（图片来源：墨尔本大学）
已灭绝物种的DNA为科学家们提供了研究其中的生物学、进化学和自然历史的机会。但是，当动物死亡之后，其DNA总会降解成小片段，而这种现象会阻碍重建原始DNA序列的计算。
新成立的TIGRR实验室致力于有袋类动物的保护和恢复研究，该实验室目前已成功利用一种先进的方法组装出迄今为止最完整的袋狼（也称为塔斯马尼亚虎）基因组。这一举措代表着我们以“逆灭绝”的方式复活袋狼的长期目标研究取得了重大进展。
澳大利亚是世界上哺乳动物灭绝率最高的国家之一，而其中的塔斯马尼亚虎（袋狼）就是这场持续危机的典型代表。袋狼曾经是澳大利亚体型最大的有袋类捕食者，但在20世纪初时，定居者受到1英镑赏金奖励的诱惑，将袋狼捕杀到了灭绝状态。袋狼具有老虎般的条纹和狗模样的头型，因此人们曾拍摄到的袋狼生前照片和新闻短片，至今依旧令人难忘。
Andrew Pask教授带领的团队在2018年发表了第一个袋狼的基因组序列。为了实现这一目标，该团队从墨尔本博物馆一个年轻标本的育儿袋组织中提取了DNA，而该组织已在酒精中保存了100多年。随后，研究人员通过DNA测序仪读取了将近30亿个核苷酸序列，并通过计算将这些序列组装起来。
该团队与合作者利用这些基因组资源确认了袋狼与现存有袋类动物的进化关系，探索了袋狼与犬科动物（狗及其近亲）体型相似性的遗传基础，并揭示了袋狼的数量在数千年的进化历程中呈现长期减少的趋势。
（图片来源：pixabay）
虽然袋狼基因组的草图包含了其绝大多数的遗传信息，但我们无法将这些信息拼接起来。在活体动物中，DNA被编译成若干条染色体级别长度的序列，每一条染色体是由数百万个碱基所组成的长DNA分子。但由于袋狼的DNA已从上个世纪降解至今，因此我们一次只能重组几千个碱基的片段。
（图片来源：pixabay）
现在，随着DNA组装技术的进步，及与袋狼亲缘关系近的现生物种的高质量参考基因组的数量激增，我们可以组装出一个新的染色体级别的袋狼基因组。我们的研究结合了两种不同的方法，发表在同行评审的《基因组生物学和进化学》（Genome Biology and Evolution）杂志上。
第一种方法称之为从头组装法，该方法使用复杂的算法来寻找测序仪生成的DNA序列中的重叠区域。第二种方法叫做参考序列指导法，该方法使用现生近缘种的高质量基因组序列作为模板，指导小片段拼接成全长染色体。
在我们的研究中，我们能够以惊人的效率和准确度将袋狼的DNA序列与袋狼亲缘关系近的袋獾染色体进行比对。尽管它们属于不同种，但这是可能比对成功的，因为它们之间的生物特性是独特的，同属于有袋类动物。
袋狼和袋獾都属于袋鼬目（Dasyuromorphia），一种有袋类食肉动物，它们在所有哺乳动物中拥有着保存最好的染色体序列。因此，新的袋狼基因组组装质量几乎与最近的其他有袋类测序组装质量相同，例如脂尾袋鼬、塔马尔沙袋鼠和袋貂。
因为我们没有活体袋狼细胞系，所以我们不能像克隆多利羊一样简单地克隆袋狼，因而高质量基因组对于袋狼“逆灭绝”的研究至关重要。相反，我们将不得不使用像CRISPR-Cas9一样的基因编辑技术在有袋类动物的干细胞中重建袋狼的基因组。我们新组装的基因组将帮助TIGRR实验室团队绘制出大约90%基因组编辑的区域，随着进一步的改进，我们会实现剩下的目标。
我们新组装的基因组能使我们更深入地挖掘袋狼灭绝前的遗传多样性。例如，我们现在已经证明袋狼是所有有袋类动物中遗传多样性最低的。这一发现在全基因数据层面上证实了我们早期一项以线粒体DNA为研究对象的研究结果，因此更具影响和准确性。此外，这与我们2018年的群体遗传分析结果一致，该分析表明袋狼的数量长期降低，可能是受到种群遗传瓶颈效应的影响。
低遗传多样性会对物种的适应性造成严重影响。近亲繁殖会使危险的隐性疾病在群体中更易表现出来。此外，低遗传多样性会使物种容易受到疾病影响，也无法适应不断变化的环境。然而，虽然低遗传多样性和遗传健康密切相关，但二者并非同义词，也有一些曾经历过严重瓶颈效应的物种从危险边缘逃离。
阿拉伯大羚羊（Oryx leucoryx）在20世纪70年代的时候濒临灭绝，曾有一段时间只能被圈养，且数量仅剩9只。但目前该物种已被拯救，从小群体繁衍增加至超过6000个个体，其中包括了大约1000个在野外的个体。今日，阿拉伯大羚羊不再被认为是濒危物种。
展望未来，我们的目标是继续改进袋狼染色体级别的基因组，并利用这一资源更好地理解袋狼低遗传多样性与其遗传健康之间的关系。这可以通过对世界各地博物馆中保存的数百只完好的袋狼进行DNA测序来实现。
像这样的研究对于TIGRR实验室的长期目标至关重要，即致力于通过基因工程技术复活澳大利亚最顶级的捕食者，同时确保它们种群未来的健康和生存能力。
作者：Charles Feigin博士
翻译：黄俊满
审校：赵冰莹
引进来源：墨尔本大学
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