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水生所在Cell同期發(fā)表兩篇論文揭示脊椎動(dòng)物水生到陸生演化過(guò)程中的遺傳創(chuàng )新基礎
從水生到陸生是脊椎動(dòng)物演化史上的一次飛躍，也是脊椎動(dòng)物演化中最重要的科學(xué)問(wèn)題之一。脊椎動(dòng)物登陸事件發(fā)生于有頜類(lèi)的硬骨魚(yú)類(lèi)?，F生硬骨魚(yú)類(lèi)包含肉鰭魚(yú)類(lèi)和輻鰭魚(yú)類(lèi)。這兩個(gè)類(lèi)群中物種數量最為繁盛的是肉鰭魚(yú)類(lèi)中的四足動(dòng)物（成功登陸的脊椎動(dòng)物類(lèi)群）以及輻鰭魚(yú)類(lèi)中的真骨魚(yú)類(lèi)。相對于這兩個(gè)最為繁盛的類(lèi)群，硬骨魚(yú)類(lèi)的基部類(lèi)群物種數量相對稀少，但卻隱藏著(zhù)祖先演化所遺留的痕跡，有“活化石”之稱(chēng)。
2月5日凌晨，國際頂級學(xué)術(shù)刊物Cell在線(xiàn)發(fā)表了中國科學(xué)院水生生物研究所聯(lián)合國內外合作者完成的兩篇研究論文“Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes”（圖1）和“African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition”（圖2）。這兩項姊妹篇研究分別解析了輻鰭魚(yú)類(lèi)基部的多鰭魚(yú)、匙吻鱘、弓鰭魚(yú)和鱷雀鱔、以及現生肉鰭魚(yú)類(lèi)中與四足動(dòng)物親緣關(guān)系最近的非洲肺魚(yú)共5個(gè)物種的基因組。兩篇文章通過(guò)交叉整合基因組學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)、魚(yú)類(lèi)學(xué)、古生物學(xué)、計算生物學(xué)和分子生物學(xué)等學(xué)科手段，分別從不同角度揭示了脊椎動(dòng)物水生到陸生的轉變之謎。
圖1 基部輻鰭魚(yú)類(lèi)基因組
圖2 肺魚(yú)基因組
第一項工作圍繞基部輻鰭魚(yú)類(lèi)的基因組開(kāi)展分析，研究陸生脊椎動(dòng)物功能在更早期魚(yú)類(lèi)里的演化歷史。陸生脊椎動(dòng)物起源過(guò)程中伴隨著(zhù)兩個(gè)重大適應性功能形態(tài)演化事件——魚(yú)鰭演化為四肢及鰓式呼吸演化為肺式呼吸。研究發(fā)現調控四肢運動(dòng)靈活性的基因功能元件在軟骨魚(yú)中已經(jīng)出現，這些元件在真骨魚(yú)中卻特化丟失，但在現生基部輻鰭魚(yú)和肉鰭魚(yú)中保留下來(lái)，最終為四足動(dòng)物的四肢演化提供了重要遺傳創(chuàng )新基礎。而肺的功能形態(tài)和遺傳基礎的起源也同樣可以追溯到所有硬骨魚(yú)共同祖先，這一時(shí)期的‘原肺’在多鰭魚(yú)和肉鰭魚(yú)類(lèi)中繼續演化成更為成熟的肺，而在大部分其他硬骨魚(yú)中特化成魚(yú)鰾。此外，陸生脊椎動(dòng)物的出現也伴隨著(zhù)心肺系統從單循環(huán)到雙循環(huán)的協(xié)同演化過(guò)程。在雙循環(huán)系統演化中起到重要調節功能的基因元件也能從多鰭魚(yú)甚至更遠古的軟骨魚(yú)中找到，說(shuō)明許多古老的基因調控網(wǎng)絡(luò )為脊椎動(dòng)物水生到陸生的演化提供了重要的遺傳和功能創(chuàng )新基礎（圖3）。
第二項工作解析了肺魚(yú)的全基因組序列，其高達400多億對堿基（40 Gb）的基因組，是人類(lèi)（3Gb）的十多倍，為迄今人類(lèi)所測序的最大的基因組序列。為了高質(zhì)量解析這一高度復雜的巨大基因組，項目組開(kāi)發(fā)催生了兩個(gè)應用于三代測序組裝基因組的軟件NextDenovo和wtbg.2.0，正在成為基因組學(xué)研究領(lǐng)域的通用軟件，再次提升了我國在基因組學(xué)研究領(lǐng)域的基礎影響力。對該基因組的分析發(fā)現，肺魚(yú)超大基因組主要由其自身進(jìn)化過(guò)程中LTR類(lèi)轉座子的大量擴增積累導致。肺魚(yú)擁有5000多個(gè)超過(guò)1Mb的長(cháng)基因，而人類(lèi)只有91個(gè)。肺魚(yú)最長(cháng)基因長(cháng)達18Mb，人類(lèi)最長(cháng)基因為2.8Mb。然而肺魚(yú)的這些超長(cháng)基因表達水平與短基因和其他物種的同源基因相似，提示肺魚(yú)進(jìn)化出了高效轉錄這些超長(cháng)基因的機制。結合組學(xué)和實(shí)驗驗證發(fā)現，脊椎動(dòng)物從水生到陸生的演化經(jīng)歷了三步重要的遺傳創(chuàng )新過(guò)程?？諝夂粑芰涂諝庑嵊X(jué)的分子基礎在硬骨魚(yú)類(lèi)共同祖先中已經(jīng)出現，而真骨魚(yú)則丟失了這一特性，屬于更為特化的類(lèi)群。隨后，肉鰭魚(yú)的祖先中出現了更多呼吸相關(guān)基因和功能元件，使得它們的空氣呼吸能力進(jìn)一步加強。最終，四足動(dòng)物進(jìn)化出了更多基因和功能元件，從而具備了完備的空氣呼吸能力，成功擺脫水的桎梏。與四肢運動(dòng)相關(guān)的功能也呈現漸進(jìn)式創(chuàng )新的特點(diǎn)，四足動(dòng)物的肱骨與基部輻鰭魚(yú)的后鰭基骨為同源器官，橈骨則可能從肺魚(yú)和四足動(dòng)物祖先開(kāi)始起源，五指則從四足動(dòng)物開(kāi)始起源。此外，研究還發(fā)現了大腦、心臟等多個(gè)器官在登陸過(guò)程中的遺傳變異基礎（圖3）。
圖3 基于基部輻鰭魚(yú)和肺魚(yú)比較基因組學(xué)研究闡明的脊椎動(dòng)物水生到陸生的關(guān)鍵遺傳創(chuàng )新
水生所何舜平研究員為這兩篇論文的共同通訊作者，楊連東副研究員為這兩篇論文的共同第一作者，姜海峰博士為第一篇論文的共同第一作者，中國科學(xué)院水生生物研究所為第一篇論文的第一完成單位。項目聯(lián)合了西北工業(yè)大學(xué)、哥本哈根大學(xué)、華大基因研究院、中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所、中國科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所、華南農業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院北京基因組研究所、中國農科院農業(yè)基因組研究所、武漢希望組生物科技有限公司等國內外多家單位協(xié)作完成。
第一項工作論文鏈接https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00089-1
第二項工作論文鏈接https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00090-8