背景海参基因组解读
海参属于棘皮动物，而棘皮动物和脊索动物、半索动物形成了后口动物类。其中两个棘皮动物海胆和海星的基因组已于日前发表。而海参独特的生物学地位使其成为研究棘皮动物和后口动物的关键点。
早在2017年初发表过一篇海参基因组，但组装完整性仅有80.5%，scaffoldN50仅达到10.5 kb。而本文通过多种方法成功组装得到一个高质量的海参基因组，为后续的研究分析提供了重要的分子和基因组学基础。
材料
渤海窗海参，海下15摄氏度左右环境中的雌性海参。
结果
1.基因组组装和注释
本文通过Illumina 测序得到260 Gb（294.97 X）二代数据，通过PacBio测序得到64 Gb（72.66 X）三代数据。经过多款软件组装测试，本文最终通过FALCON软件对三代数据进行contig拼接，并利用二代mate-pair文库进行scaffold延伸。组装得到的基因组大小为804.99 Mb，组装完整性约为91.47%（流式细胞术评估得到基因组大小为880.20 Mb左右）; contigN50 达到190 Kb（该contig连续性已高于已发表的海洋脊索动物基因组），scaffoldN50 为486 Kb。最后利用遗传图谱将1,313条scaffolds挂载到22个连锁群上。
组装完成后，本文分别利用二代小文库、转录组unigene进行比对评估，比对率分别达到94%和97%，说明组装准确性较好。利用CEGMA评估，在248个保守的核心基因中检测到242个（97.6%）。
基于二代小文库的k-mer分析显示海参基因组杂合度为1.59%，重复序列含量26.2%；
有1,127个tRNA，223个snRNA，149个snoRNA，137个miRNA和75个rRNA；共注释到30,350个编码基因。
2.比较基因组学分析
利用17个近缘物种的单拷贝基因进行最大似然法建树，验证了棘皮动物和半索动物由共同祖先分化而来。进一步根据化石时间推断出棘皮动物和半索动物的分化时间大致在533百万年前。
对17个近缘物种基因进行聚类，共得到49,351个基因家族，其中452个基因家族为棘皮动物和半索动物所共有。另外，有1,576个基因家族受到显著扩张，而1,579个基因家族发生收缩。
3.脊索和腮裂的消失
常归分析完成，得挖点东西出来啊，那么重点来了。
后口动物中半索动物和脊索动物都拥有的脊索和腮裂特征，成年的棘皮动物都没有。但本文发现大多数与脊索形成和腮裂发育相关的基因（如brachyury，β-catenin，foxA，otx）在棘皮动物中也都存在；并且两个与咽腮裂相关的基因家族与后口动物存在明显的共线性。
生成FGF基因的转录因子Brachyury是脊索形成的关键调控子。但在棘皮动物中，FGF基因家族缺显著收缩——只存在一个FGF基因；另外，ISH结果显示brachury在棘皮动物中的表达位置在嘴部，而在脊索动物中却是在脊索。而棘皮动物中咽腮裂发育相关的基因表达与后口动物存在显著差异。本文因此推测脊索和咽腮裂特征有可能在棘皮动物祖先中是存在的，但随着时间流逝逐渐消失。
4.Hox基因
本文在海参基因组中发现了一个高度完整有序的Hox基因簇和一个保守的ParaHox基因簇。
5.骨骼退化
其他棘皮动物如海胆拥有发达的外骨骼，而海参却外形柔软。但海参却几乎拥有与海胆一样完整的骨骼信号通路、关键转录因子和重要的骨骼相关基因。矿化基因直接决定骨骼的形成。研究发现海胆中有31个矿化基因，而海参只有7个，本文因此推测矿化基因在海胆中显著扩张，而在海参中却受到收缩。
6.中枢神经系统相关基因
海参没有中枢神经系统，但却拥有类似功能。研究发现，一些与中枢神经系统发育相关的重要基因在海参等棘皮动物中均发生缺失，但海参与其他棘皮动物所不同的是，它和海胆、海星一样拥有大量与神经系统发育相关的基因，并且相关的基因家族在海参中显著扩张，这正好解释了海参独特的中枢神经系统功能。
7.再生能力
海参具有强大的再生能力。当安全受到威胁时，海参能将内脏排出体外，并在几周后完整再生。研究人员在海参中发现了74个高重复的串联重复基因簇。其中一个拥有11个串联重复基因、被称为PSP94 like的基因簇电表达量在内脏再生前期显著上调，并且该基因簇为海参特有；另一个由21个串联重复FREP基因组成的基因簇的表达量在内脏再生前期和中期都出现显著上调。因此本文推测海参的再生能力与PSP94-like基因和FREP基因密切相关。
意义
海参是研究再生医学的重要动物模型。同时海参基因组的提升也为研究棘皮动物和后口动物的生物过程和进化提供了重要基础。
参考文献
Zhang X, Sun L, Yuan J, et al. The sea cucumber genome provides insights into morphological evolution and visceral regeneration[J]. Plos Biology, 2017, 15(10):e2003790.
海参属于棘皮动物，而棘皮动物和脊索动物、半索动物形成了后口动物类。其中两个棘皮动物海胆和海星的基因组已于日前发表。而海参独特的生物学地位使其成为研究棘皮动物和后口动物的关键点。
早在2017年初发表过一篇海参基因组，但组装完整性仅有80.5%，scaffoldN50仅达到10.5 kb。而本文通过多种方法成功组装得到一个高质量的海参基因组，为后续的研究分析提供了重要的分子和基因组学基础。
材料
渤海窗海参，海下15摄氏度左右环境中的雌性海参。
结果
1.基因组组装和注释
本文通过Illumina 测序得到260 Gb（294.97 X）二代数据，通过PacBio测序得到64 Gb（72.66 X）三代数据。经过多款软件组装测试，本文最终通过FALCON软件对三代数据进行contig拼接，并利用二代mate-pair文库进行scaffold延伸。组装得到的基因组大小为804.99 Mb，组装完整性约为91.47%（流式细胞术评估得到基因组大小为880.20 Mb左右）; contigN50 达到190 Kb（该contig连续性已高于已发表的海洋脊索动物基因组），scaffoldN50 为486 Kb。最后利用遗传图谱将1,313条scaffolds挂载到22个连锁群上。
组装完成后，本文分别利用二代小文库、转录组unigene进行比对评估，比对率分别达到94%和97%，说明组装准确性较好。利用CEGMA评估，在248个保守的核心基因中检测到242个（97.6%）。
基于二代小文库的k-mer分析显示海参基因组杂合度为1.59%，重复序列含量26.2%；
有1,127个tRNA，223个snRNA，149个snoRNA，137个miRNA和75个rRNA；共注释到30,350个编码基因。
2.比较基因组学分析
利用17个近缘物种的单拷贝基因进行最大似然法建树，验证了棘皮动物和半索动物由共同祖先分化而来。进一步根据化石时间推断出棘皮动物和半索动物的分化时间大致在533百万年前。
对17个近缘物种基因进行聚类，共得到49,351个基因家族，其中452个基因家族为棘皮动物和半索动物所共有。另外，有1,576个基因家族受到显著扩张，而1,579个基因家族发生收缩。
3.脊索和腮裂的消失
常归分析完成，得挖点东西出来啊，那么重点来了。
后口动物中半索动物和脊索动物都拥有的脊索和腮裂特征，成年的棘皮动物都没有。但本文发现大多数与脊索形成和腮裂发育相关的基因（如brachyury，β-catenin，foxA，otx）在棘皮动物中也都存在；并且两个与咽腮裂相关的基因家族与后口动物存在明显的共线性。
生成FGF基因的转录因子Brachyury是脊索形成的关键调控子。但在棘皮动物中，FGF基因家族缺显著收缩——只存在一个FGF基因；另外，ISH结果显示brachury在棘皮动物中的表达位置在嘴部，而在脊索动物中却是在脊索。而棘皮动物中咽腮裂发育相关的基因表达与后口动物存在显著差异。本文因此推测脊索和咽腮裂特征有可能在棘皮动物祖先中是存在的，但随着时间流逝逐渐消失。
4.Hox基因
本文在海参基因组中发现了一个高度完整有序的Hox基因簇和一个保守的ParaHox基因簇。
5.骨骼退化
其他棘皮动物如海胆拥有发达的外骨骼，而海参却外形柔软。但海参却几乎拥有与海胆一样完整的骨骼信号通路、关键转录因子和重要的骨骼相关基因。矿化基因直接决定骨骼的形成。研究发现海胆中有31个矿化基因，而海参只有7个，本文因此推测矿化基因在海胆中显著扩张，而在海参中却受到收缩。
6.中枢神经系统相关基因
海参没有中枢神经系统，但却拥有类似功能。研究发现，一些与中枢神经系统发育相关的重要基因在海参等棘皮动物中均发生缺失，但海参与其他棘皮动物所不同的是，它和海胆、海星一样拥有大量与神经系统发育相关的基因，并且相关的基因家族在海参中显著扩张，这正好解释了海参独特的中枢神经系统功能。
7.再生能力
海参具有强大的再生能力。当安全受到威胁时，海参能将内脏排出体外，并在几周后完整再生。研究人员在海参中发现了74个高重复的串联重复基因簇。其中一个拥有11个串联重复基因、被称为PSP94 like的基因簇电表达量在内脏再生前期显著上调，并且该基因簇为海参特有；另一个由21个串联重复FREP基因组成的基因簇的表达量在内脏再生前期和中期都出现显著上调。因此本文推测海参的再生能力与PSP94-like基因和FREP基因密切相关。
意义
海参是研究再生医学的重要动物模型。同时海参基因组的提升也为研究棘皮动物和后口动物的生物过程和进化提供了重要基础。
参考文献
Zhang X, Sun L, Yuan J, et al. The sea cucumber genome provides insights into morphological evolution and visceral regeneration[J]. Plos Biology, 2017, 15(10):e2003790.
