我们的DNA包含了我们所有细胞的功能指令，从我们大脑中的细胞到我们骨骼和血液中的细胞。但只有通过激活和去激活DNA的不同片段，即我们的基因，我们的细胞才能承担其专门的功能。
对于所有生物体来说都是如此，它们的细胞在不同基因被开启和关闭时分化。在简单的生物体中，这些开关通常只位于距离它们激活和去激活的基因很短的距离内。但在复杂的生物体中，这些开关有时与它们调控的基因相隔很长的DNA序列，有时多达数万个碱基对。
最近的研究发现，这种长距离基因调控形式实际上比以前认为的要古老得多。今天发表在《自然》杂志上的这项研究表明，这些遥远的基因开关可能在动物进化的早期，大约在7亿到6.5亿年前出现，比之前估计的早了约1.5亿年。
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开启和关闭远距离基因
为了使长距离基因调控或远端调控发挥作用，DNA必须折叠或卷曲成复杂的环状结构。这些环状结构使DNA分离的片段在三维空间中彼此靠近，从而使开关能够控制技术上相距数万个DNA碱基的基因。
长期以来，人们假设这种能力出现在大约5亿年前的动物中，帮助它们将其细胞专门化以执行特定功能。但《自然》杂志的这项新研究表明，远端调控的起源甚至更早，可能在今天所有动物的共同祖先中。
“这种生物可以像瑞士军刀一样，以不同的方式重新利用其基因工具包，使其能够完善和探索创新的生存策略。我们没想到这种复杂性如此古老，”主要研究作者、西班牙基因组调控中心 (CRG) 和国家基因组分析中心 (CNAG) 的研究员伊安娜·金在一份新闻稿中说。
追溯远距离基因开关的起源
为了追溯这项创新，这项新研究的作者研究了11个不同物种的基因调控机制。其中一些物种来自早期动物谱系，如栉水母、海绵、扁形动物和刺胞动物。这些谱系包含栉水母、海绵以及水母、珊瑚和海葵等其他海洋生物，它们构成了地球上最简单的动物。其他物种来自与今天所有动物共享共同祖先的单细胞生物谱系。
“通过观察奇怪的海洋生物，你可以发现很多新的生物学知识。到目前为止，我们一直在比较基因组序列，但 благодаря新方法，我们现在可以[分析]哪些基因调控机制控制着不同物种的基因组功能，”另一位研究作者、CRG 小组负责人阿诺·塞贝-佩德罗斯在新闻稿中说。
事实上，一种名为Micro-C的新方法使研究作者能够绘制11个物种DNA的三维图谱，这些图谱跟踪了DNA序列的折叠。虽然单细胞生物的DNA图谱中没有出现长距离基因调控的环状结构，但它们出现在栉水母、扁形动物和刺胞动物的图谱中，这表明远端调控起源于大约7亿到6.5亿年前。
令人惊讶的是，研究作者还确定，不同的蛋白质有助于构建不同动物的DNA环状结构。虽然较晚动物谱系（如鱼类、两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物）的环状结构由CTCF（一种有助于将不同基因排列成不同DNA片段的蛋白质）组织，但较早动物（如栉水母）的环状结构则由同一蛋白质家族中的另一种蛋白质组织。
“令人印象深刻的是，同一个问题却使用了不同的工具来解决。感谢这项工作，我们现在知道可以使用两种不同的蛋白质将远端DNA[片段]在空间上连接起来形成一个环，”另一位研究作者、CRG和CNAG的小组负责人马克·A·马蒂-雷诺姆在新闻稿中说。
研究作者强调，他们的研究有助于追踪基因组调控的演变，并为控制人类和动物细胞功能的调控机制提供了实际见解。
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自然。《染色质环是动物调控基因组的祖先标志》
