人类、章鱼和珊瑚可能看起来几乎没有什么共同点，但它们的染色体中仍包含从超过6亿年前生活的动物祖先继承的可识别片段。维也纳大学的研究人员现已追踪到这些古老基因组片段如何随着动物生命的多样化而重新组织。研究发表在《科学进展》上，表明动物基因组并不是通过无限数量的可能路径进化的。相反，染色体的变化往往沿着一组有限的不可逆路径进行，研究人员将其称为“进化高速公路”。这些发现还可能为理解和保护动物生物多样性提供重要基础。追踪超过6亿年的基因组进化，所有现存的动物最终都源于一个在超过6亿年前存在的共同祖先。自那时以来，染色体反复融合、分离和重新排列，随着新的动物谱系的出现，数千种动物基因组现在已被测序，但比较它们的长期进化仍然是一个困难的工作。在这项研究中，由维也纳大学的研究人员领导的国际团队将数千个基因组汇集在一个大规模的比较中。“理解这些进化规则不仅仅告诉我们过去，”研究共同负责人、维也纳大学教授奥列格·西马科夫表示。“它还让我们能够询问基因组进化可能走向何方，并使我们能够识别保护动物生物多样性的重要措施。”许多测序基因组仍然是“草稿”。它们可以揭示动物所拥有的基因，但未能准确显示这些基因在其染色体上的确切位置。染色体级别的组装通过在完整染色体上以正确的顺序排列基因提供了更多详细信息。生产这些组装相对困难，并且直到最近，只有足够多的物种在这一层次上进行分析，才能使跨动物王国的广泛比较成为可能。动物进化树上最大的染色体比较，研究人员检查了来自19个动物门的4454种物种中5800多个公开可用的染色体级别基因组。根据研究团队的说法，这是动物进化树上最大规模的比较。为了组织如此庞大的信息，科学家们创建了一个名为进化基因组拓扑的框架。它将各种各样的动物基因组结构放在一张单一的地图上。那张地图揭示了一个重要的模式。基因组结构似乎并没有随机变化。相反，动物谱系倾向于沿着“进化高速公路”移动。来自数百种现存物种的证据表明，不同组群在不同时期以不同速率沿这些路径旅行或偏离。“我们第一次能够在一张地图上看到数千个基因组，并追踪动物DNA演化的独特路径。将地图整体视为一个整体使我们能够看到动物基因组随时间变化的模式，”在维也纳大学担任博士后研究员并且现在是莱海大学和莱海海洋学院助理教授的达林·舒尔茨表示。“如果我们以不同的方式折叠地图，我们就能够比较不同动物群体在分化到不同进化路径后走向的不同路径。”不可逆染色体混合留下基因记录，这些模式背后的主要力量是研究人员之前命名为“融合-混合”的过程。当两个染色体结合时，它们的基因会混合在一起。一旦发生这种情况，原始的排列就无法恢复。这种不可逆性使得这些染色体的变化在重构进化历史时尤为有用。每次事件都会留下一种持久的基因组记录，作为共享祖先的标志。研究人员已经使用这种类型的证据来帮助识别与所有其他动物的兄弟组。研究团队发现，动物组群之间染色体数量的差异主要可以通过两种方式产生。祖先染色体可以结合，也可以分开。在这两种情况下，融合-混合都可以将不同的谱系推动到非常不同的进化轨迹上。动物群体占据不同的基因组结构区域，由于这一过程无法逆转，主要的染色体绕道可能会永远影响一个谱系在研究人员所称的“基因组结构空间”中的最终位置。一旦发生这样一种变化（“融合与混合”），主要的动物群体就可能被转移到这一基因组景观的不同区域。随着染色体混合的时间积累，谱系继续分化。这些变化可以在许多基因中留下持久的影响，包括与控制发育有关的重要基因。进化基因组拓扑关注于基因在整个基因组中的排列和结构。