新聞科研進(jìn)展
自達爾文時(shí)代以來(lái)，生物學(xué)家一直關(guān)注著(zhù)一個(gè)重要的問(wèn)題：生物是如何從共同的祖先演化成為豐富多樣的物種的？新基因的產(chǎn)生是生物演化和物種多樣性形成的重要源泉。研究新基因的起源機制，實(shí)質(zhì)上也是在探究生命演化的根源。然而，在分子水平上，新基因是如何被保留下來(lái)，又是如何整合到已有的網(wǎng)絡(luò )通路中，以及對生物的適應性演化具有哪些貢獻，仍然沒(méi)有得到很好的研究。
中國科學(xué)院水生生物研究所魚(yú)類(lèi)系統學(xué)與生物地理學(xué)學(xué)科組通過(guò)對魚(yú)類(lèi)的基因組進(jìn)行比較分析，在模式生物斑馬魚(yú)中鑒定到了一個(gè)新的嵌合基因（chiron）。首次系統性地研究了新基因的起源、演化、表達模式、分子功能以及信號通路的整合過(guò)程，并進(jìn)一步地探討了鯉科魚(yú)丹 亞科（Danoninae）魚(yú)類(lèi)在東南亞水生環(huán)境中產(chǎn)生廣泛適應性進(jìn)化的分子機制。
約在4800-5400萬(wàn)年前的魚(yú)丹 亞科魚(yú)類(lèi)中，一個(gè)高度保守的管家基因煙酰胺磷酸核糖轉移酶(Nicotinamide phosphoribosy transferase, NAMPT)經(jīng)過(guò)反轉座的過(guò)程形成了CDNA，并插入到基因組中其它的位置，通過(guò)在其上游區域招募到一段蛋白編碼序列，形成了一個(gè)新的嵌合蛋白基因，稱(chēng)之為祖先的chiron基因。大約在100-400萬(wàn)年前，chiron基因通過(guò)革新-擴增-分化（Innovation–Amplification–Divergence (IAD)）的模式，特異性地在斑馬魚(yú)中產(chǎn)生了5個(gè)重復拷貝（chiron1-5）?；虮磉_數據證明，chrion基因很可能起源于胚胎早期發(fā)育過(guò)程中，隨著(zhù)功能的演化其表達部位逐漸延伸到精巢中。細胞實(shí)驗證明chrion蛋白具有NAD+限速酶的功能，能夠有效的提升細胞中NAD+的水平。通過(guò)Morpholino敲降和CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，證明chiron是斑馬魚(yú)胚胎發(fā)育的必需基因，這一結果為魚(yú)類(lèi)新基因的功能研究增添了一個(gè)嶄新的證據（圖1）。
圖1 新基因chiron的起源和功能
進(jìn)一步研究發(fā)現，新基因chiron通過(guò)直接催化NAD+的限速反應，整合到了古老的核心網(wǎng)絡(luò )NAD+合成通路中，并促進(jìn)該信號通路中的兩個(gè)能量代謝基因nmnat1和naprt在魚(yú)類(lèi)中發(fā)生了正向選擇，從而系統性地驅動(dòng)整個(gè)NAD+生物合成通路的協(xié)同演化（圖2）。
圖2新基因chiron促進(jìn)NAD+合成通路的協(xié)同演化
NAD+是一種重要的輔助因子，在新陳代謝的過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用。在能量緊缺時(shí)（如缺糖、禁食、限制熱量和運動(dòng)），NAD+的表達水平會(huì )顯著(zhù)增加。因此，通過(guò)調節NAD+的水平，chiron基因可能起到了一種重要的生理穩態(tài)機制的作用，通過(guò)持續性地維持細胞中的NAD+水平，確保NAD+的充足性，進(jìn)一步地提高魚(yú)丹 亞科群體對不同生態(tài)環(huán)境的適應能力，尤其是在食物短缺和能量匱乏的關(guān)鍵時(shí)期。此外，有研究表明提高NAD+能延緩哺乳動(dòng)物的衰老和延長(cháng)壽命。那么，利用新基因chiron對整個(gè)NAD+合成途徑（nmnat1和naprt）進(jìn)行系統性地改善，也為提高細胞的NAD+水平提供了新的思路，有可能進(jìn)一步地推動(dòng)人類(lèi)的抗衰老和延長(cháng)壽命等生物醫學(xué)領(lǐng)域的研究。
本研究工作以“The new chimeric chiron genes evolved essential roles in zebrafish embryonic development by regulating NAD+ levels ”為題，于2021年1月，在線(xiàn)發(fā)表于《Science China Life Sciences》 (文章鏈接：https://doi.org/10.1007/s11427-020-1851-0)。該工作由方成池博士等人完成，水生所為第一完成單位，水生所何舜平研究員為通訊作者。該研究得到了中科院先導專(zhuān)項B、國家自然科學(xué)基金委員會(huì )重大研究計劃以及國家自然科學(xué)基金青年基金等項目的資助。
同時(shí)，該工作還受到演化領(lǐng)域相關(guān)學(xué)者的關(guān)注，芝加哥大學(xué)生態(tài)與演化系的龍漫遠教授發(fā)表評論：斑馬魚(yú)物種特異性基因chiron的發(fā)現，打破了演化領(lǐng)域的兩個(gè)觀(guān)念上的禁錮：1.基因功能的重要性和基因的保守性呈正相關(guān)；2.個(gè)體的早期胚胎發(fā)育主要是由保守基因來(lái)調控的。新基因chiron在早期胚胎發(fā)育中的重要作用，一方面證明了新基因可以起到必須基因的作用，另一方面也證明了新基因能夠調控胚胎的早期發(fā)育。該評論以“A zebrafish-specific chimeric gene evolved essential developmental functions: discussion of conceptual significance”為題，發(fā)表在《Science China Life Sciences》（文章鏈接：https://doi.org/10.1007/s11427-021-1884-2）。