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          生物資訊

          PLoS ONE:新發(fā)現(xiàn)或重新改寫(xiě)演化樹(shù)

          作者:金煜 來(lái)源:新京報(bào) 發(fā)布時(shí)間: 2011-03-29 10:15  瀏覽次數(shù):
          購(gòu)買(mǎi)進(jìn)口儀器、試劑和耗材——就在始于2001年的畢特博生物 m.kjhfd.cn

           

          在過(guò)去的近300年中,生物分類(lèi)法從兩界、三界一直被擴(kuò)充到六界三域,分類(lèi)系統(tǒng)不斷被改寫(xiě)。然而,演化樹(shù)的改寫(xiě)可能還會(huì)繼續(xù)下去。美國(guó)加州大學(xué)基因中心和文特爾研究所對(duì)海洋水樣本中的DNA序列分析的合作研究發(fā)現(xiàn),地球上可能存在著三個(gè)域之外的生物。

          外環(huán)境入手測(cè)DNA序列

          這個(gè)發(fā)現(xiàn)十分驚人,其可能改寫(xiě)從上世紀(jì)90年代以來(lái)延續(xù)的主流生物分類(lèi)學(xué)法。研究是加州大學(xué)戴維斯分校基因中心的艾森(Jonathan Eisen)領(lǐng)頭所做。他與同事們提取了一部分海洋水樣本中的DNA進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)這些樣本基因序列十分不同尋常,和人們平時(shí)所知的細(xì)胞生物似乎關(guān)系非常疏遠(yuǎn),完全像是來(lái)自另外一個(gè)全新的生物域。相關(guān)論文發(fā)表于《公共科學(xué)圖書(shū)館·綜合》(PLoS One)。

          基因分析是目前用來(lái)進(jìn)行生物分類(lèi)和判斷的好工具。我們星球上大部分的物種并非日常所見(jiàn)的動(dòng)植物,而是看上去像是一個(gè)個(gè)單一細(xì)胞的低等生物體,如果要判斷它們?cè)谘莼瘶?shù)上處于什么位置,生物學(xué)家們需要在實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)它們,等有了足夠的DNA后再進(jìn)行基因分析。但艾森表示,這里的問(wèn)題是,這些物種的絕大部分,差不多占所有物種的99%,都沒(méi)法在實(shí)驗(yàn)室里被培育。“它們就像是生物宇宙里的暗物質(zhì)。”他打了一個(gè)比方。

          為了探尋生物的“暗物質(zhì)”,艾森展開(kāi)了和世界上最出名的私人基因研究所——文特爾研究所的合作。“壞小子”文特爾因支持基因譜私有化和“人造生命”等立場(chǎng)而成為世界上最受爭(zhēng)議的科學(xué)家之一,但是他擁有的私人研究所的確是當(dāng)前最強(qiáng)大的基因研究機(jī)構(gòu)之一。對(duì)于這項(xiàng)探究“暗生物”的挑戰(zhàn),他和他的同事們采用了一種現(xiàn)在很前沿的研究方法,叫做“宏基因組學(xué)”(微生物環(huán)境基因組學(xué))進(jìn)行研究,傳統(tǒng)的微生物基因序列分析需要在實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)微生物,但用宏基因組學(xué),可以直接從環(huán)境樣品中提取全部微生物的DNA,那就可以避開(kāi)有的微生物很難在實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)的難題。艾森表示,加上這種方法,無(wú)論是環(huán)境中采集的還是實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)的,現(xiàn)在沒(méi)有DNA序列是測(cè)不出來(lái)的。

          假設(shè)可能只是“錯(cuò)覺(jué)”

          在此次研究中,艾森和文特爾提取了“全球海洋取樣考察”(Global Ocean Sampling Expedition)中采集的海水樣品,通過(guò)宏基因組學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)其中有一些基因序列和此前所知的徹底不一樣,無(wú)論如何也放不進(jìn)現(xiàn)有的演化樹(shù)中。

          “問(wèn)題是,它們是哪兒來(lái)的?”艾森說(shuō)。目前還沒(méi)有一個(gè)科學(xué)家能夠解答得了,這些基因不知道到底是屬于什么生物。不過(guò),艾森表示,現(xiàn)在出現(xiàn)了兩種假設(shè),一種是這些基因序列來(lái)自一些很與眾不同的病毒,而另一種假設(shè)則更為令人驚訝,這些神秘的基因序列或許代表著生命樹(shù)上一個(gè)完全嶄新未知的分支。

          這個(gè)假設(shè)是十分大膽的,生物學(xué)界一些人表示激動(dòng),但也有一些人認(rèn)為現(xiàn)在就談生命的“第四維度”為時(shí)過(guò)早。如加拿大渥太華麥克馬斯特大學(xué)的生物學(xué)家古普塔(Radhey Gupta)說(shuō),盡管這個(gè)發(fā)現(xiàn)很有意義,但還是得小心下結(jié)論才行,因?yàn)榭赡苡懈嗟慕忉專(zhuān)热?,這些基因序列可能來(lái)自一些生活在獨(dú)特的環(huán)境中的細(xì)胞生物,有的環(huán)境可能導(dǎo)致生物的基因發(fā)生迅速的演變,這就有可能給做基因分析的科學(xué)家?guī)?lái)錯(cuò)覺(jué),以為這是在很早很早以前就和其他生物分家了的“新”的生命形式。

          “現(xiàn)在生物是否分成三個(gè)域,或者這三個(gè)域之間的生物是怎么相互聯(lián)系的,這些都還有著很大的分歧。”古普塔說(shuō),“如果再加上對(duì)第四個(gè)域的討論,只會(huì)讓人們更加困惑。”

          不過(guò),法國(guó)巴黎第六大學(xué)科學(xué)家巴普苔絲特(Eric Bapteste)的回應(yīng)則更積極一點(diǎn):“事實(shí)就是基因是非常多樣的,而且毫無(wú)疑問(wèn)其中的大部分我們都是未知的,要設(shè)想還有一個(gè)全新的生物域在那兒這也是合情合理的。”

          演化樹(shù)面臨再次重寫(xiě)

          研究接下來(lái)的一個(gè)工作就是要更進(jìn)一步地確定這些序列的來(lái)源,將尋找這些基因到底是突然變異的還是從另一個(gè)奇怪的“維度”來(lái)的。對(duì)這些樣本的進(jìn)一步分析,還可以確定這些神秘的基因序列到底屬于什么生物體。

          假設(shè)艾森等人的進(jìn)一步工作發(fā)現(xiàn),這些基因序列的確是來(lái)自一個(gè)全新的生物域,那生物演化樹(shù)將再次被推翻重寫(xiě)。

          艾森介紹說(shuō),到上世紀(jì)90年代之前,演化樹(shù)上只有兩個(gè)分支:一個(gè)是真核生物,包括動(dòng)物、植物、真菌和一些奇怪的生物形式,比如黏液菌;而沒(méi)有被列入真核生物的,則被稱(chēng)為“其他所有一切生物”。隨著基因分析技術(shù)的進(jìn)步,上世紀(jì)90年代后,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),所謂的“其他所有一切生物”并不能籠統(tǒng)地歸在一起,它事實(shí)上有兩個(gè)完全不同的域:細(xì)菌和古菌。

          即使這樣,生物學(xué)家對(duì)演化樹(shù)如何來(lái)畫(huà)依舊是分歧多多,還有不少存在爭(zhēng)議的生物,比如擬菌病毒,這是目前所知的最大的病毒之一,有人就認(rèn)為其應(yīng)該單獨(dú)代表一個(gè)新的域,它里面帶有很多在細(xì)胞生物中才有的基因,所以不應(yīng)該看成是病毒。“如果你把這些擬菌病毒看成是第四個(gè)分支,那我們的序列或許代表著第五個(gè)分支,只不過(guò)現(xiàn)在我們都還不知道而已。”艾森說(shuō)。

          【鏈接】沃斯創(chuàng)建“三域說(shuō)”

          美國(guó)微生物學(xué)家沃斯(Carl Woese)采用分子生物學(xué)的方法做基因關(guān)系比較。1977年,他將rRNA分子片段做出基因序列分析(這種方法后來(lái)被普遍采納),然后重新繪制了演化樹(shù),將我們?nèi)粘K熘那ё税賾B(tài)的細(xì)胞生物形式如動(dòng)物、植物、真菌等都?xì)w于演化樹(shù)上同一個(gè)分支——真核生物。

          此外,在沃斯之前,人們普遍把動(dòng)植物和真菌等之外的其他生物都全部歸于原核生物,相對(duì)于真核生物,原核生物一般沒(méi)有細(xì)胞內(nèi)膜,沒(méi)有細(xì)胞核膜,但依然有遺傳物質(zhì),而真核生物不管是單細(xì)胞還是多細(xì)胞,細(xì)胞內(nèi)都含有細(xì)胞核。

          上世紀(jì)90年代的時(shí)候,他正式提出了三域說(shuō),生物分類(lèi)法中最高的類(lèi)別不再是“界”,而是“域”,三個(gè)域分別是細(xì)菌域、古菌域和真核域。盡管還存在很多分歧,但三域系統(tǒng)是目前生物界被大多數(shù)人認(rèn)可的主流分類(lèi)系統(tǒng)。

          推薦原文出處:

          PLoS ONE 6(3): e18011. doi:10.1371/journal.pone.0018011

          Stalking the Fourth Domain in Metagenomic Data: Searching for, Discovering, and Interpreting Novel, Deep Branches in Marker Gene Phylogenetic Trees

          Dongying Wu1, Martin Wu1,4, Aaron Halpern2,3, Douglas B. Rusch2,3, Shibu Yooseph2,3, Marvin Frazier2,3, J. Craig Venter2,3, Jonathan A. Eisen1*

          Background

          Most of our knowledge about the ancient evolutionary history of organisms has been derived from data associated with specific known organisms (i.e., organisms that we can study directly such as plants, metazoans, and culturable microbes). Recently, however, a new source of data for such studies has arrived: DNA sequence data generated directly from environmental samples. Such metagenomic data has enormous potential in a variety of areas including, as we argue here, in studies of very early events in the evolution of gene families and of species.

          Methodology/Principal Findings

          We designed and implemented new methods for analyzing metagenomic data and used them to search the Global Ocean Sampling (GOS) Expedition data set for novel lineages in three gene families commonly used in phylogenetic studies of known and unknown organisms: small subunit rRNA and the recA and rpoB superfamilies. Though the methods available could not accurately identify very deeply branched ss-rRNAs (largely due to difficulties in making robust sequence alignments for novel rRNA fragments), our analysis revealed the existence of multiple novel branches in the recA and rpoB gene families. Analysis of available sequence data likely from the same genomes as these novel recA and rpoB homologs was then used to further characterize the possible organismal source of the novel sequences.

          Conclusions/Significance

          Of the novel recA and rpoB homologs identified in the metagenomic data, some likely come from uncharacterized viruses while others may represent ancient paralogs not yet seen in any cultured organism. A third possibility is that some come from novel cellular lineages that are only distantly related to any organisms for which sequence data is currently available.1 If there exist any major, but so-far-undiscovered, deeply branching lineages in the tree of life, we suggest that methods such as those described herein currently offer the best way to search for them.

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