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。
图 1 美洲龙虾、节肢动物系统发育树和基因家族的扩展/收缩。( A ) 美洲龙虾，H. americanus，在美国缅因湾的自然栖息地。照片来源：JM Polinski ( 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。
美国龙虾是一种生活在海底的甲壳类动物，在野外可以活到100岁。而且，它不会随着年龄的增长变衰弱，且很少患癌症。现在，研究人员发表了第一份高质量的龙虾基因组草图，对这种动物的免疫系统和基因组稳定性有了新见解，这有助于回答关于衰老的一些基本问题。相关成果日前发表于《科学进展》。
未参与这项研究的美国诺瓦东南大学分子进化生物学家Jose Lopez说，龙虾“与我们非常不同”，“但人类确实与这些动物有许多同源基因”。
通常，美国龙虾不会随着年龄增长而失去力量、经历新陈代谢的巨大变化，或者失去生育能力。它们终其一生，会长得越来越大。2008年，一篇涉及60多年研究的文献综述发现，美国龙虾中只有一个肿瘤生长的可信案例。相比之下，有近40%的人类会在一生中的某一时刻被诊断患有癌症。
图 2 H. americanus基因组中编码的离子通道的多样性。（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。
为弄清美国龙虾的基因是否蕴藏其长寿的秘密，2015年，美国格洛斯特海洋基因组学研究所（GMGI）的科研人员启动了美国龙虾全基因组测序项目。
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%。GMGI生物化学家Andrea Bodnar和海洋生物学家Jennifer polinski，以及加拿大、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。
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，这表明独特神经免疫的相互作用可能有助于美国龙虾抵抗疾病。
图3. H. americanus基因组中PIWI/AGO 家族成员的分析。（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。
研究人员发现，与哺乳动物和果蝇相比，这种动物几乎没有激活细胞程序性死亡的基因。在大多数动物中，这一过程抑制肿瘤并清除病变细胞。这表明美国龙虾可能依靠其他策略抑制肿瘤生长。
Bodnar希望通过对美国龙虾基因组的研究，最终研发出新药物，或者对新陈代谢在长寿中扮演的角色产生新认识。
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