蚯蚓及其生活在海洋中的近亲在外观上十分相似。如果你在渔具店拿到一盒作为饵料的蚯蚓，可能根本分不清它们是来自土壤还是泥泞的海底。然而，新的研究表明，从基因排列来看，它们的亲缘关系并不显而易见。这是因为几亿年前从海洋中分化出来的蠕虫群体——属于环带纲（Clitellata）——经历了彻底的基因重组，许多基因在染色体上的位置发生了显著变化。就基因组结构而言，红蚯蚓（bloodworm）与蛤蜊（clam）的相似性甚至超过了生活在泥土中的近亲。
“环带纲的基因组在所有已研究的动物中是最混乱的。”台湾中研院生物多样性研究中心的进化生物学家骆乙君（Yi-Jyun Luo）说道。他是研究环节动物基因组重排的三个独立小组的领导之一，在研究这些属于环节动物门（Annelida）的分节蠕虫（segmented worms）时得出了这个结论。
目前尚不清楚淡水蠕虫（水蛭）及其陆地近亲（蚯蚓）为何会经历如此大规模的基因重组，但有迹象表明，这些变化可能帮助这些无脊椎动物离开了海洋。西班牙高等科研理事会-庞培法布拉大学进化生物学研究所的进化生物学家罗莎·费尔南德斯（Rosa Fernández）表示：“所有这些变化与栖息地的转变之间有着明确的关联。”她领导了其中一个研究团队。值得注意的是，这三个研究团队在5月发布了三篇预印本论文，其中一篇已完成同行评审，并于本月发表。
威康桑格研究所的进化生物学家乔安娜·迈耶（Joana Meier）称这些研究结果“令人惊叹”和“疯狂”。维也纳大学的生物学家达林·舒尔茨（Darrin Schultz），他是其中一篇预印本论文的共同第一作者，表示科学家长期以来都相信染色体稳定性对繁殖至关重要。当来自精子和卵子的半份基因组结合时，DNA片段通常需要对齐，才能形成正常的胚胎。“这种现象的演化令人非常惊讶，”迈耶说，“你会认为自然选择会强烈地抵制这种情况。”
早期的动物基因组序列分析支持了这一观点。骆乙君团队的博士后托马斯·莱文（Thomas Lewin）主导了相关工作，并是其发表于《分子生物学与进化》期刊论文的第一作者。他指出，研究人员观察到，在彼此关系遥远的动物中，基因集通常会在染色体上保持在一起，这种现象被称为宏观共线性（macrosynteny），大致意为“长期在一起的条带”。“无论是海绵、珊瑚，还是脊索动物，它们的基因组结构几乎都保持得非常完好。”莱文说。
然而，当研究小组使用新的基因组分析方法研究蚯蚓、水蛭及其他环带纲生物时，发现这些蠕虫的基因组已经被重组得面目全非。其他蠕虫及许多祖先无脊椎动物中一致的基因带在环带纲蠕虫中几乎无法辨认（见下图）。
“所有的基因都打乱了了，然后随机重组。”费尔南德斯说。“我让我的团队重复分析了上千次。”
她的研究团队进一步提出，早期海洋环节动物的基因组可能特别容易发生重组，这从红蚯蚓和沙蚕等的后代身上可以看出来。这些现代蠕虫的染色体非常“柔软”，可以像意大利面条重叠一样，使得不同染色体上的基因可以协调运作。这种灵活性可能使得基因更自由地移动并继续协同工作。
某些基因（不同颜色表示的基因组块）在染色体上相互靠近，即便在亲缘关系遥远的动物之间也是如此。然而，新的研究表明，迁徙到淡水、以及后来迁徙到陆地的蠕虫物种中，这些基因块发生了越来越多的重组。
而且，过去的DNA重组不仅重新排列了基因，还破坏了许多基因，包括与基因组稳定性和细胞分裂相关的基因。费尔南德斯称这为“基因组灾难”，这可能通过削弱细胞在DNA复制过程中发现并修复错误的能力，进一步促进了基因组的重组。虽然这引发了这些动物如何在如此动荡的基因组背景下存活下来的疑问。
但环带纲不仅在基因组灾难中幸存下来；费尔南德斯推测，这可能帮助它们征服了新的环境——首先是淡水环境，产生了水蛭等蠕虫，然后是陆地环境，进化为蚯蚓。她的团队发现，一些在环带纲蠕虫中表达的、应对氧气、盐分或紫外线变化等压力时的特异基因，可能是在这一类群早期阶段通过基因重组形成的——这暗示基因组的混乱帮助了这些蠕虫应对新的环境挑战。
莱文和其他领域的研究者指出，现有研究尚无法区分基因组重组先于栖息地迁移，还是后者引发了前者。“这是一个美妙的巧合，也是一个很好的猜想，重组可能在某种程度上参与了适应过程。”他说，“但在我们的三篇论文中，没有确凿的证据证明这一点，这纯属推测。”
三个研究团队计划继续研究这些蠕虫，以验证二者之间是否存在因果关系。密歇根州立大学的共生生物学家伊丽莎白·希思-赫克曼（Elizabeth Heath-Heckman）是舒尔茨预印本论文的共同作者之一，她表示：“真正令人惊叹的是，从这三篇论文中可以看出，这些重组显然仍在进行中。”这意味着这些动物可能是揭示基因组不稳定机制以及其如何被容忍的极佳模型。
尽管环带纲的染色体混乱令人印象深刻，但它可能并不独特。舒尔茨及其同事、以及骆乙君团队的进一步研究表明，保守的基因组结构可能不像以前认为的那样重要。事实上，基因组稳定性实际上可能是“例外，而非常态”，骆乙君说道。
以下为Science报道原文：
作者：Christie Wilcox
克里斯蒂·威尔科克斯（Christie Wilcox）博士，是一位科学记者和作家，拥有十多年的经验，致力于讲述生命中最引人入胜的故事。作为《科学》杂志的通讯编辑，威尔科克斯负责编写和编辑ScienceAdviser，为读者提供每日最新科学新闻、评论和研究的精华摘要，同时撰写原创报道和分析。
doi: 10.1126/science.zf12eca
