美国龙虾基因组揭示了对长寿、神经和免疫适应的见解。
波士顿龙虾如何保持长寿无癌？
一、美国龙虾背景
美洲螯龙虾，俗称波士顿龙虾，它是一种生活在海底的甲壳类动物。美洲螯龙虾分布于大西洋的北美洲海岸，世界最大的底栖无脊椎动物之一，重达 20 公斤，长度超过 1 m。
科学家一直对龙虾惊人的长寿感到惊讶：龙虾不会随着年龄的增长而变弱，而且很少患癌症。波士顿龙虾通过逐步蜕皮过程表现出生长，寿命相当长，一般相信此种龙虾可以活超过50年，推测寿命可达100年。与其它十足目甲壳类动物类似，波士顿龙虾的肿瘤疾病鲜有报道，这表明它们的基因组在漫长的生命周期中具有高保真度。它们不会随着年龄的增长而失去力量，不会经历新陈代谢的巨大变化，也不会失去生育能力。他们也终其一生变得越来越大。
据估计，在某个时间点，将近 40% 的人会被诊断出患有癌症，但2008 年的一项跨越 60 多年研究的文献综述发现，波士顿龙虾中只有一个可信的肿瘤生长案例。为了解波士顿龙虾不会随着年龄的增长而变得虚弱，而且很少患癌症的基因秘诀，研究人员对波士顿龙虾进行了研究。
该研究发表在《Science Advances》期刊上，题为“The American lobster genome reveals insights on longevity, neural, and immune adaptations”。研究人员发表了波士顿龙虾基因组的第一个高质量草图，对动物的免疫系统和基因组稳定性产生了令人惊讶的见解，有朝一日有助于回答有关衰老的基本问题——不仅在龙虾中，也适用于人类。
二、结果
1. 龙虾基因组的测序和组装
双端和配对 Illumina 文库与 Oxford Nanopore 长读段相结合，使用 MaSuRCA 基因组组装器生成高质量的重叠群 ( 24 )。Contigs 使用来自 Dovetail Chicago 和 Hi-C 文库的邻近连接数据搭建支架，以产生 2.29 Gbp 的基因组组装。最终组装由 47,245 个支架组成，其中 50% 和 90% 的基因组分别代表 242 个支架 (N50 = 759.6 kb) 和 22,569 个支架 (N90 = 15.2 kb)。使用节肢动物 (obd9) 基因集对通用单拷贝直向同源物 (BUSCO) 进行基准测试表明，在检查的 1066 个基因中，只有 28 个缺失、28 个片段化和 18 个重复基因的高质量组装。其他测序和组装统计数据可在表 1和表 S1 中找到。
基因组大小从估计ķ聚体分析（ķ = 23）为3.2英镑，这是先前针对的1C核DNA含量的报告值的范围内H.美洲（3.06至4.64 GBP），但表示我们的组装缺失了大约 28% 的基因组。这种差异可以通过测序偏差或组装高度重复区域的挑战而遗漏的 DNA 来解释，并且与其他报道的甲壳类动物基因组一致，除了大理石纹小龙虾，在预测基因组大小的 22% 到 47% 之间缺失。
重复分析显示，52.9% 的龙虾基因组组装由重复序列组成。共鉴定出 1302 个重复家族，其中 433 个先前已在其他物种中报道过，而其余 869 个家族未知。在先前表征的重复家族中，长散布的核元件逆转录转座子是最常见的，出现 398,238 次，占基因组的 10.2%。短散在核元件反转录转座子占基因组的 0.4%，而长末端重复 (LTR) 元件和 DNA 元件分别占 4.5% 和 4.8%。Gypsy 样序列是最常见的 LTR 元件（占基因组的 3.28%），TcMar-Tigger 是最常见的 DNA 元件（1.28%）。简单重复代表 1,709,134 次出现，占基因组的 6.3%。H. americanus和其他四个甲壳类动物基因组在物种之间显示出高度的变异性。
到2019年，GMGI的工作已经产生了迄今为止最完整的龙虾基因组，估计捕获了整个序列的72%。
2. 比较基因组
( A ) 美洲龙虾，H. americanus，在美国缅因湾的自然栖息地;
( B ) 龙虾解剖结构示意图，表明用于本研究的组织类型：1，触角外侧鞭毛；2、眼柄神经节；3、脑（食管上神经节）；4、心；5、肝胰脏；6、性腺/睾丸；7、肠；8、腹神经节；9、走路腿指关节；
( C) 从八种节肢动物的 263 个单拷贝直系同源物中推断出的系统发育树。扩展基因家族的数量用绿色标记，收缩基因家族的数量用红色标记。MRCA（最近的共同祖先）下方的数字代表来自 OrthoMCL 分析的直向同源物总数，用作 CAFE 扩展/收缩分析的输入;
- 单拷贝直向同源物被定义为在所有八个物种中都作为单拷贝基因存在的直向同源物;
- 多拷贝直向同源物代表存在于所有物种中的基因组，在至少一个物种中基因数> 1;
- 物种特异性旁系同源物代表仅在一个物种中唯一存在的基因;
- 其他类型的直向同源物代表某些物种中不存在的基因组，而不是物种特异性旁系同源物;
3.基因家族鉴定
（A）与其他节肢动物和后生动物物种相比，在龙虾基因组中鉴定出的编码离子通道的同源物的数量，包括电压门控离子通道/LGIC 和相关受体。
( B ) 美洲人发育阶段和成体组织中 264 iGluR/IR 标准化表达水平的热图，表示为 log 2 TPM（每百万转录本）的梯度。左侧和顶部的树状图分别表示同源物和组织的层次聚类。
( C ) 与其他节肢动物和非节肢动物物种相比，美洲人体内编码 iGluR/IR、cys 环受体和嘌呤受体 (P2XR) 的同源物的数量。
( D) 与其他节肢动物和非节肢动物物种相比，美洲人中编码离子通道、LGIC 和 G 蛋白偶联受体 (GPCR) 的同源物的数量。LGIC，配体门控离子通道；GPCR，G蛋白偶联受体；TRP，瞬时受体电位通道；HCN，超极化激活的环核苷酸门控通道；CNG，环核苷酸门控通道；ChRN，烟碱乙酰胆碱受体；GluCl，谷氨酸门控氯化物受体；GLR，甘氨酸受体。**
（A）与人类和其他动物相比，龙虾基因组中编码 PIWI/AGO 家族成员的基因预测数量。
（B）表达水平的热图，表示为美洲美洲人发育阶段和成体组织中 PIWI/AGO 家族成员的 log 2 TPM梯度。左侧和顶部的树状图分别表示同源物和组织的层次聚类。
三、扩展背景
到2019年，GMGI的工作已经产生了迄今最完整的龙虾基因组，估计捕获了整个序列的 72% 。Bodnar、Polinski和来自加拿大、俄罗斯的合作者分析了这些数据——将其与其他7种海洋无脊椎动物的序列进行比较，发现了几十个与神经细胞功能、免疫、基因组完整性和细胞存活相关的基因组被丰富或扩大的例子。
例如，研究人员发现编码多种蛋白质的基因有助于调节离子通过细胞膜（配体—门控离子通道）的运动，甚至还发现了一种新的通道类型。离子通道在许多生理过程中发挥着关键作用，比如神经细胞的放电、免疫细胞识别外来物质。Bodnar说，新发现的离子通道结合了免疫系统和神经系统的典型功能，这表明独特的神经免疫的相互作用，可能有助于波士顿龙虾抵抗疾病。
研究人员惊奇地发现，与哺乳动物和果蝇相比，龙虾几乎没有激活细胞程序性死亡的基因。在大多数动物中，这一过程会抑制肿瘤并清除病变细胞。鉴于龙虾几乎从来未得过肿瘤，Polinski 说，研究小组期望找到更多与激活细胞程序性死亡相关的基因。然而，研究人员发现了更多已知的抑制它的基因，这表明龙虾可能依靠其他策略来抑制肿瘤的生长。
Bodnar说：“更多的研究可以帮助解释龙虾是如何几乎无肿瘤的，以及这些经验如何有朝一日为人类所用。人类的寿命已经非常长了，人类生物学的问题在于，我们一生中的大部分时间都在衰退，尤其是在我们的晚年，疾病的发病率在增加。” 她希望从波士顿龙虾基因组中获得的见解中，对新药物治疗或新陈代谢对长寿的作用有新的认识。
与此同时，波林斯基看到了龙虾基因组更直接的应用。“龙虾对水温非常敏感，”她说。随着北大西洋水域变暖，美国东部和加拿大沿海的龙虾正在向北移动，导致新英格兰南部的龙虾渔业大量减少。Polinski说，更多地了解龙虾如何应对这种压力，可以帮助科学家更好地了解它们在未来几年将如何迁徙，以及它们的种群结构将如何随着迁徙而变化，这也可能为渔业管理者提供一个重要的工具来预测它们自己的未来。
美洲龙虾 Homarus americanus 是海洋生态系统不可或缺的一部分，并支持重要的商业渔业。这种标志性物种也可作为破译控制节律运动模式 和 嗅觉的神经网络的宝贵模型。在这里，我们报告了一个高质量的美洲美洲人草图具有 25,284 个预测基因模型的基因组。对神经基因补体的分析揭示了化学感应机制的非凡发展，包括配体门控离子通道和分泌分子的深刻多样化。一类新型嵌合受体耦合模式识别和神经递质结合的发现表明神经系统和免疫系统之间存在深度整合。涉及先天免疫、基因组稳定性、细胞存活、化学防御和角质层形成的强大基因库代表了在底栖海洋环境中茁壮成长所必需的多种防御机制。总之，这些独特的进化适应有助于这种长寿底栖捕食者的长寿和生态成功。
文献链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.abe8290
The American lobster genome reveals insights on longevity, neural, and immune adaptations
