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《细胞》杂志刊登两篇论文揭示脊椎动物水生到陆生演化过程中的遗传创新基础

原始辐鳍鱼已经具备大量陆生特性相关的关键基因组元件(供图:毕旭鹏,张国捷, Brian Choo)

原始辐鳍鱼已经具备大量陆生特性相关的关键基因组元件(供图:毕旭鹏,张国捷, Brian Choo)

非洲肺鱼基因组为理解脊椎动物水生陆生转变提供了重要桥梁。(供图:王堃,王文)

非洲肺鱼基因组为理解脊椎动物水生陆生转变提供了重要桥梁。(供图:王堃,王文)

(神秘的地球uux.cn报道)据中国科学院古脊椎动物与古人类研究所:2021年2月5日凌晨,《细胞》杂志(Cell)在线发表了题目分别为“African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition”和“Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes”两篇研究论文。两篇“姊妹”论文分别解析了现生肉鳍鱼类中与四足动物亲缘关系最近的非洲肺鱼、以及原始辐鳍鱼类塞内加尔多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝共五个物种的基因组。两篇论文交叉整合基因组学、进化生物学、鱼类学、古生物学、计算生物学和分子生物学等学科,分别从不同角度揭示了脊椎动物水生到陆生的转变之谜。

两篇论文的研究工作由西北工业大学,中国科学院水生生物研究所,昆明动物研究所、古脊椎动物与古人类研究所等国内外多家单位协作完成,中科院古脊椎所朱敏研究员、朱幼安副研究员作为古生物学背景的合作者参与了上述两篇论文的工作,其中朱敏研究员为原始辐鳍鱼类基因组论文的共同通讯作者。

脊椎动物从水生到陆生是脊椎动物演化史上的一次飞跃,也是脊椎动物演化中最重要的科学问题之一。脊椎动物登陆事件发生于有颌类中的硬骨鱼类。现生硬骨鱼类包含肉鳍鱼类和辐鳍鱼类。这两个类群中物种数量最为繁盛的是肉鳍鱼类中的四足动物(成功登陆的脊椎动物类群)以及辐鳍鱼类中的真骨鱼类。相对于这两个最为繁盛的类群,硬骨鱼类演化树基部各支系的现生代表,如拉蒂迈鱼、肺鱼、多鳍鱼、弓鳍鱼、雀鳝、鲟等的物种数稀少,但却隐藏着祖先演化所遗留的痕迹,有“活化石”、“古代鱼”之称。

在第一篇论文中,中国科学院昆明动物研究所王文研究员及合作者报道了对非洲肺鱼基因组的解析和研究,非洲肺鱼拥有所有生物中迄今得到解析的最庞大基因组,包含高达400多亿对碱基(40 Gb),是人类基因组(3Gb)的10多倍。对肺鱼基因组的研究表明,脊椎动物从水生到陆生的演化经历了三步重要的遗传创新过程。空气呼吸能力和空气嗅觉的分子基础在肉鳍鱼类和辐鳍鱼类的共同祖先中已经出现,而辐鳍鱼类中的真骨鱼类则丢失了这一特性,属于更为特化的类群。随后,肉鳍鱼类的祖先中出现了更多呼吸相关基因和功能元件,使得它们的空气呼吸能力进一步加强。最终,四足动物演化出了更多基因和功能元件,从而具备了完备的空气呼吸能力,成功摆脱水的桎梏。与四肢运动相关的功能也呈现渐进式创新的特点,四足动物的肱骨与原始辐鳍鱼类的后基鳍骨为同源器官,桡骨则可能从肺鱼和四足动物祖先开始起源,五指/趾则从四足动物开始起源。此外,研究还发现了大脑、心脏等多个器官在登陆过程中的遗传变异基础。

在另外一篇论文的工作中,中国科学院昆明动物研究所张国捷研究员及合作者围绕原始辐鳍鱼类五个代表物种的基因组,分析研究四足动物对陆地生活的功能在鱼类中的演化基础。陆生脊椎动物起源过程中伴随着的两个重大适应性功能形态演化事件,即适应水中运动的鱼鳍演化为适应陆地运动的四肢,及用鳃在水中呼吸演化为用肺呼吸空气。研究发现,调控四肢运动灵活性的基因功能元件可能在硬骨鱼类共同祖先即已出现,这些元件在真骨鱼类中却特化丢失了,但在现生原始辐鳍鱼类和肉鳍鱼类中保留下来。这些元件为四足动物的四肢演化提供了重要遗传创新基础。而肺的功能形态和遗传基础的起源也同样可以追溯到所有硬骨鱼类的共同祖先,这一时期的‘原肺’在多鳍鱼和肉鳍鱼类中继续演化成更为成熟的肺,而在大部分现代硬骨鱼类中特化为鱼鳔。此外,陆生脊椎动物的出现还伴随着心肺系统从单循环到双循环的协同演化过程。在双循环系统演化中起到重要调节功能的基因元件也能在多鳍鱼甚至软骨鱼类中找到,说明一些非常古老的基因调控网络为脊椎动物水生到陆生的演化提供了重要的遗传和功能创新基础。上述研究成果对理解脊椎动物从水生到陆生的演化机制和历程具有里程碑意义。

论文链接:

https://authors.elsevier.com/c/1cXATL7PXezJC 

https://authors.elsevier.com/c/1cX5eL7PXezIx

相关报道:Cell 刊登两篇论文揭示脊椎动物水生到陆生演化过程中的遗传创新基础

(神秘的地球uux.cn报道)据中国科学院昆明动物研究所(进化基因组学与基因起源学科组|生物多样性基因组研究学科组):脊椎动物从水生到陆生是脊椎动物演化史上的一次飞跃,也是脊椎动物演化中最重要的科学问题之一。脊椎动物登陆事件发生于有颌类的硬骨鱼类群。现生硬骨鱼类包含肉鳍鱼类和辐鳍鱼类。这两个类群中物种数量最为繁盛的是肉鳍鱼类中的四足动物(成功登陆的脊椎动物类群)以及辐鳍鱼类中的真骨鱼类。相对于这两个最为繁盛的类群,硬骨鱼类的基部类群物种数量相对稀少,但却隐藏着祖先演化所遗留的痕迹,有“活化石”之称。 

2月5日凌晨,国际著名学术刊物Cell分别以African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition和Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes为题,在线发表了中国科学院昆明动物研究所王文团队、张国捷团队联合水生生物研究所、古脊椎动物与古人类研究所、北京基因组研究所,以及西北工业大学、丹麦哥本哈根大学、华大基因研究院、华南农业大学、中国农科院农业基因组研究所、武汉希望组生物科技有限公司等单位完成的两篇研究论文。两篇文章分别解析了现生肉鳍鱼类中与四足动物亲缘关系最近的非洲肺鱼、辐鳍鱼类基部的多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝五个物种的基因组,通过交叉整合基因组学、进化生物学、鱼类学、古生物学、计算生物学和分子生物学等学科,从不同角度揭示了脊椎动物水生到陆生的转变之谜。 

第一项工作报道了迄今解析的最大基因组,其大小高达400多亿对碱基(40 Gb),是人类基因组大小(3Gb)的10多倍。研究发现,脊椎动物从水生到陆生的演化经历了三步重要的遗传创新过程。空气呼吸能力和空气嗅觉的分子基础在硬骨鱼类共同祖先中已经出现,而真骨鱼则丢失了这一特性,属于更为特化的类群。随后,肉鳍鱼的祖先中出现了更多呼吸相关基因和功能元件,使得它们的空气呼吸能力进一步加强。最终,四足动物进化出了更多基因和功能元件,从而具备了完备的空气呼吸能力,成功摆脱水的桎梏。与四肢运动相关的功能也呈现渐进式创新的特点,四足动物的肱骨与基部辐鳍鱼的后鳍基骨为同源器官,桡骨则可能从肺鱼和四足动物祖先开始起源,五指则从四足动物开始起源。此外,该研究还发现了大脑、心脏等多个器官在登陆过程中的遗传变异基础。 

第二项工作围绕基部辐鳍鱼的基因组,分析研究陆生脊椎动物功能在更早期鱼类里的演化历史。陆生脊椎动物起源过程中伴随着的两个重大适应性功能形态演化事件,鱼鳍演化为四肢及鳃式呼吸演化为肺式呼吸。研究发现,调控四肢运动灵活性的基因功能元件在软骨鱼里已经出现,这些元件在真骨鱼里却特化丢失,但在现生基部辐鳍鱼和肉鳍鱼里保留下来,最终为四足动物的四肢演化提供了重要遗传创新基础。而肺的功能形态和遗传基础的起源也同样可以追溯到所有硬骨鱼共同祖先,这一时期的“原肺”在多鳍鱼和肉鳍鱼类中继续演化成更为成熟的肺,而在大部分其他硬骨鱼里特化成鱼鳔。此外,陆生脊椎动物的出现也伴随着心肺系统从单循环到双循环的协同演化过程。在双循环系统演化中起到重要调节功能的基因元件也能在多鳍鱼甚至更远古的软骨鱼里找到,说明一些古老的基因调控网络为脊椎动物水生到陆生的演化提供了重要的遗传和功能创新基础。 

昆明动物所研究员王文为这两篇论文的共同通讯作者,昆明动物所研究员张国捷为第二篇论文的共同通讯作者。

以上两项研究得到了中国科学院战略性先导专项(B类)的支持,研究成果对理解脊椎动物从水生到陆生的演化机制和历程具有里程碑意义。 

文章链接1:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00090-8

文章链接2:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00089-1

相关报道:水生所在Cell同期发表两篇论文揭示脊椎动物水生到陆生演化过程中的遗传创新基础

(神秘的地球uux.cn报道)据中国科学院水生生物研究所(杨连东):从水生到陆生是脊椎动物演化史上的一次飞跃,也是脊椎动物演化中最重要的科学问题之一。脊椎动物登陆事件发生于有颌类的硬骨鱼类。现生硬骨鱼类包含肉鳍鱼类和辐鳍鱼类。这两个类群中物种数量最为繁盛的是肉鳍鱼类中的四足动物(成功登陆的脊椎动物类群)以及辐鳍鱼类中的真骨鱼类。相对于这两个最为繁盛的类群,硬骨鱼类的基部类群物种数量相对稀少,但却隐藏着祖先演化所遗留的痕迹,有“活化石”之称。 

2月5日凌晨,国际顶级学术刊物Cell在线发表了中国科学院水生生物研究所联合国内外合作者完成的两篇研究论文“Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes”(图1)和“African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition”(图2)。这两项姊妹篇研究分别解析了辐鳍鱼类基部的多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝、以及现生肉鳍鱼类中与四足动物亲缘关系最近的非洲肺鱼共5个物种的基因组。两篇文章通过交叉整合基因组学、进化生物学、鱼类学、古生物学、计算生物学和分子生物学等学科手段,分别从不同角度揭示了脊椎动物水生到陆生的转变之谜。 

第一项工作围绕基部辐鳍鱼类的基因组开展分析,研究陆生脊椎动物功能在更早期鱼类里的演化历史。陆生脊椎动物起源过程中伴随着两个重大适应性功能形态演化事件——鱼鳍演化为四肢及鳃式呼吸演化为肺式呼吸。研究发现调控四肢运动灵活性的基因功能元件在软骨鱼中已经出现,这些元件在真骨鱼中却特化丢失,但在现生基部辐鳍鱼和肉鳍鱼中保留下来,最终为四足动物的四肢演化提供了重要遗传创新基础。而肺的功能形态和遗传基础的起源也同样可以追溯到所有硬骨鱼共同祖先,这一时期的‘原肺’在多鳍鱼和肉鳍鱼类中继续演化成更为成熟的肺,而在大部分其他硬骨鱼中特化成鱼鳔。此外,陆生脊椎动物的出现也伴随着心肺系统从单循环到双循环的协同演化过程。在双循环系统演化中起到重要调节功能的基因元件也能从多鳍鱼甚至更远古的软骨鱼中找到,说明许多古老的基因调控网络为脊椎动物水生到陆生的演化提供了重要的遗传和功能创新基础。   

第二项工作解析了肺鱼的全基因组序列,其高达400多亿对碱基(40 Gb)的基因组,是人类(3Gb)的十多倍,为迄今人类所测序的最大的基因组序列。为了高质量解析这一高度复杂的巨大基因组,项目组开发催生了两个应用于三代测序组装基因组的软件NextDenovo和wtbg.2.0,正在成为基因组学研究领域的通用软件,再次提升了我国在基因组学研究领域的基础影响力。对该基因组的分析发现,肺鱼超大基因组主要由其自身进化过程中LTR类转座子的大量扩增积累导致。肺鱼拥有5000多个超过1Mb的长基因,而人类只有91个。肺鱼最长基因长达18Mb,人类最长基因为2.8Mb。然而肺鱼的这些超长基因表达水平与短基因和其他物种的同源基因相似,提示肺鱼进化出了高效转录这些超长基因的机制。结合组学和实验验证发现,脊椎动物从水生到陆生的演化经历了三步重要的遗传创新过程。空气呼吸能力和空气嗅觉的分子基础在硬骨鱼类共同祖先中已经出现,而真骨鱼则丢失了这一特性,属于更为特化的类群。随后,肉鳍鱼的祖先中出现了更多呼吸相关基因和功能元件,使得它们的空气呼吸能力进一步加强。最终,四足动物进化出了更多基因和功能元件,从而具备了完备的空气呼吸能力,成功摆脱水的桎梏。与四肢运动相关的功能也呈现渐进式创新的特点,四足动物的肱骨与基部辐鳍鱼的后鳍基骨为同源器官,桡骨则可能从肺鱼和四足动物祖先开始起源,五指则从四足动物开始起源。此外,研究还发现了大脑、心脏等多个器官在登陆过程中的遗传变异基础。 

水生所何舜平研究员为这两篇论文的共同通讯作者,杨连东副研究员为这两篇论文的共同第一作者,姜海峰博士为第一篇论文的共同第一作者,中国科学院水生生物研究所为第一篇论文的第一完成单位。项目联合了西北工业大学、哥本哈根大学、华大基因研究院、中国科学院昆明动物研究所、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所、华南农业大学、中国科学院北京基因组研究所、中国农科院农业基因组研究所、武汉希望组生物科技有限公司等国内外多家单位协作完成。 

相关报道:鱼是怎么爬上陆地的?中国研究登上顶级期刊,揭开演化之谜

(神秘的地球uux.cn报道)据澎湃新闻(记者 贺梨萍):脊椎动物到底是如何从水生到陆生的?这是脊椎动物演化中最重要的科学问题之一。

北京时间2021年2月5日,国际著名学术刊物《细胞》(Cell)在线发表了中国科研团队的两篇重磅论文:通过基因组数据分析,揭示了古脊椎动物从水中登上陆地这一演化事件的历程,解答了关键性的演化问题。

前述研究还找到古鱼类在登陆之前已经完成的关键性准备,并确认鱼鳔起源自原始的肺,证明了达尔文关于肺和鱼鳔关系的假说。

两篇论文分别是:“Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes”和“African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition”。本次两篇Cell研究成果,均利用华大自主研发的测序平台DNBSEQ进行Hi-C和转录组测序,完成了鱼类的染色体组装和基因表达谱分析。华大主导及参与的两篇研究论文。

澎湃新闻从华大获悉,这两项姊妹篇研究解析了原始辐鳍鱼类的塞内加尔多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝,以及现生肉鳍鱼类中与四足动物亲缘关系最近的非洲肺鱼共五个物种的基因组。两篇论文交叉整合了基因组学、进化生物学、鱼类学、古生物学、计算生物学和分子生物学等学科,从不同角度和不同演化节点揭示了脊椎动物水生到陆生的演化之谜。

“基于物种演化过程的比较分析为揭示生物复杂性状形成机制提供了重要手段,为生物医学研究提供了有利工具。”该研究的主要通讯作者张国捷教授总结说,“这一研究不仅揭示了陆生脊椎动物起源的生理及分子机制,同时在分子水平揭示了许多脊椎动物重要器官的同源关系。此外我们的研究还说明一些祖先就已存在的基因调控机制为演化过程新性状的出现提供了遗传基础,为后续的跨越式演化提供了重要的功能基础。”

研究的通讯作者为张国捷教授(深圳华大生命科学研究院/中科院昆明动物所/哥本哈根大学)、何舜平研究员(中科院水生所)、朱敏研究员(中科院古脊椎动物与古人类研究所)和王文教授(西北工业大学),第一作者为毕旭鹏(中科院水生所/深圳华大基因研究院)、王堃(西北工业大学)、杨连东(中科院水生所)、潘海林(深圳华大基因研究院)、姜海峰(中科院水生所)和危起伟(中国水产科学研究院长江水产研究所)。

原始辐鳍鱼类基因组解析:登陆的遗传基础在硬骨鱼类祖先已经出现

在脊椎动物从水生到陆生的演化过程中有许多的障碍需要克服,其中两个重要问题是如何在缺少水体浮力的情况下支撑身体进行运动,以及如何呼吸空气中的氧。

多鳍鱼、鲟鱼、弓鳍鱼、雀鳝等原始辐鳍鱼类具备了一些与从水到陆地环境适应性相关的特征,吸引着众多科学家对它们进行研究。在第一个研究中,深圳华大生命科学研究院生物多样性基因组学研究团队与中国科学院武汉水生生物研究所、西北工业大学、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所、丹麦哥本哈根大学等单位联合解析了高质量染色体级别的多鳍鱼基因组以及其他三种原始辐鳍鱼的基因组。

研究发现,能够增加骨骼运动灵活性的滑膜关节在早期鱼类中已经存在。调控这些功能相关的遗传基础比我们之前预期的要更早起源,这些早期调控网络随演化历程的逐步完善,为脊椎动物登陆所需要的功能演化提供了重要遗传基础。

通过比较基因组学的分析,研究人员发现在这些远古鱼类的嗅觉感受器中同时存在着两种类型的嗅觉受体,除了具有鱼类都拥有检测水溶性分子的嗅觉受体之外,还具有能够检测空气分子的嗅觉受体。这与它们空气呼吸的能力相一致。

与此同时,研究人员通过对多个物种进行转录组测序(RNA-seq),发现在远古鱼类中高表达的基因显著富集在血管新生通路,这也解释了在这些远古鱼类里的肺或者鱼鳔表面为何密布血管,从而有助于氧气在肺部的扩散及运输。

另外一些肺特异性表达的基因在软骨鱼就已经出现,这也暗示着“原肺”形成的分子基础在鱼类登陆前就已经建立。值得一提的是,利用多器官表达谱的聚类和系统发生关系分析,这一研究不仅证实了达尔文提出的肺和鱼鳔是同源器官的假说,同时证明了在鱼类的鳔是从脊椎动物早期的肺演化来的。

此外,心肺系统协同演化对脊椎动物登陆相当重要。从鱼类的一心房一心室再到人的两心房两心室,心脏结构趋向于完善,而功能也变得更加复杂。研究人员找到了这一演化过程产生的功能创新相关遗传证据,并且新发现的一个基因调控元件与人类心脏疾病相关。

肺鱼基因组解析揭示四足动物登陆之谜

肺鱼是现存最接近四足动物的近亲,并保留了从水到陆地过渡的祖先特征。作为鱼类一大分支,肺鱼作为脊椎动物水生到陆生的“桥梁”,其基因组信息记录着脊椎动物演化史。然而它们巨大的基因组阻碍了研究人员利用组学技术对这一关键演化过程的解析。

在西北工业大学、中科院水生所、中科院北京基因组所、华南农业大学、中国农业科学院深圳农业基因组研究所、青岛华大基因研究院、深圳华大生命科学研究院等16家单位联合完成的肺鱼基因组研究中,研究人员发布了一个40Gb的非洲肺鱼基因组的染色体级组装成果,这是迄今为止报道的最大的基因组序列,是人类基因组大小(3Gb)的10多倍。该基因组的发布完善了从鱼类到陆地四足动物演化过程中关键的最后一环基因组序列。 

该研究还发现,脊椎动物从水生到陆生的演化呈现了三步式演化的特征。以空气呼吸为例,空气呼吸能力和空气嗅觉的分子基础在硬骨鱼类共同祖先中已经出现,而真骨鱼则丢失了这一特性,属于更为特化的类群。随后,肉鳍鱼的祖先中出现了更多呼吸相关基因和功能元件,使得它们的空气呼吸能力进一步加强。最终,四足动物演化出了更多基因和功能元件从而具备了完备的空气呼吸能力,成功摆脱水的桎梏。与四肢运动相关的功能也呈现渐进式创新的特点:四足动物的肱骨与原始辐鳍鱼的后基鳍骨为同源器官,桡骨则可能从肺鱼和四足动物祖先开始起源,五指则从四足动物开始起源。

该成果的主要参与单位西北工业大学、中科院水生所和青岛华大基因研究院同时还参与发起了“万种鱼基因组计划”(Fish10K)的国际合作项目。该项目旨在绘制万种代表性鱼类基因组图谱,涵盖世界各地鱼类的所有目和代表性科,建立一个大规模,高质量的鱼类基因组数据库,聚焦鱼类基因组研究。目前该项目已经完成第一阶段500种鱼类基因组组装和收集工作。

相关报道:中国学者系统揭示脊椎动物从水生到陆生的秘密

(神秘的地球uux.cn报道)据iNature(文:枫叶):脊椎动物从水生到陆生是脊椎动物演化史上的一次飞跃,也是脊椎动物演化中最重要的科学问题之一。然而,长期以来,关于脊椎动物从水生到陆生的遗传创新基础一直知之甚少。

根据古生物学和脊椎动物系统学的研究,认为脊椎动物登陆事件发生于有颌类的硬骨鱼纲中。硬骨鱼纲包含肉鳍鱼亚纲和辐鳍鱼亚纲。这两个类群中现生物种数量最为繁盛的是肉鳍鱼亚纲中的四足动物(成功登陆的脊椎动物类群)以及辐鳍鱼亚纲中的真骨鱼类。肉鳍鱼类包括空棘鱼、肺鱼和四足动物,其中肺鱼是离四足动物最近的还活着的鱼类。在硬骨鱼类更早期分化出来的原始辐鳍鱼类群物种数量相对稀少,但隐藏着祖先演化所遗留的痕迹。特别是多鳍鱼,空棘鱼、肺鱼和这些原始辐鳍鱼类因而有“活化石”之称,是研究脊椎动物水生到陆生演化的关键桥梁。除了非洲空棘鱼(矛尾鱼)基因组在2013年被解析外,其他物种的遗传密码都还缺乏信息和系统研究。尤其肺鱼更是拥有已知脊椎动物中最为庞大的基因组(40 Gb以上),长期以来科学家都想解析其基因组,但一直未能成功。

2021年2月5日,国际著名学术刊物Cell 在线发表了题目分别为“Tracing the genetic footprints of vertebratelanding in non-teleost ray-finned fishes”和“African lungfish genome sheds light on thevertebrate water-to-land transition”的两篇研究论文,两项姊妹篇研究分别解析了原始辐鳍鱼类塞内加尔多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝,以及现生肉鳍鱼类中与四足动物亲缘关系最近的非洲肺鱼共五个物种的基因组。两篇论文交叉整合了基因组学、进化生物学、鱼类学、古生物学、计算生物学和分子生物学等学科,从不同角度和不同演化节点揭示了脊椎动物水生到陆生的转变之谜。

另外,2021年1月18日,Axel Meyer等人在Nature 在线发表题为“Giant lungfish genome elucidates the conquest of land by vertebrates”的研究论文,该研究确定了最大的染色体质量的动物基因组,澳大利亚肺鱼,新角鲨。它的巨大体积(约为人类基因组的14倍)主要归因于巨大的基因间区域和具有高重复含量(约90%)的内含子,其组成比射线鳍鱼更像四足动物(主要是LINE元素)。与巨大的基因组相比,肺鱼基因组继续独立地并且通过不同的机制进行扩张(其TEs仍然活跃)。系统生物学分析确定,肺鱼作为四足动物最亲近的亲戚,在进化中处于关键位置,这突显了它们对于了解与陆地化相关的创新的重要性。适应陆地生活的方式包括在其裂片中获得象hoxc13和sall1这样的发育基因的肢体状表达。与呼吸相关的基因(例如肺表面活性剂)的进化和重复速率提高,并且检测空气中异味的气味受体基因家族的扩展也有助于它们形成四足动物状生物学。这些发现促进了我们对脊椎动物进化过程中这一主要转变的理解。

原始辐鳍鱼类基因组的解析发现登陆的遗传基础已经在硬骨鱼类祖先出现

在脊椎动物从水生到陆生的演化过程中有许多的障碍需要克服,其中两个重要问题是如何在缺少水体浮力的情况下支撑身体进行运动,以及如何呼吸空气中的氧。多鳍鱼、鲟鱼、弓鳍鱼、雀鳝等原始辐鳍鱼类,尽管与登陆“先遣队”亲缘关系较远,但却保留了一些与克服上述从水到陆障碍有关的特征。特别是多鳍鱼,拥有有原始的用来呼吸空气的肺,其中多鳍鱼可以在溶氧量极低的水中通过背部的喷水孔吸入空气,甚至离水存活一段时间。此外,多鳍鱼也与空棘鱼相似,拥有肌肉和内骨骼支撑的胸鳍柄,可以在水底爬行。这些原始鱼类所具有的独特生物学特性和演化地位吸引着众多科学家对它们进行研究。第一项研究解析了高质量染色体级别的多鳍鱼基因组以及其他三种原始辐鳍鱼的基因组。

调节四肢运动灵活性的遗传基础

现生物种和灭绝物种的骨骼比较已经知道包括人在内的四足动物的“大臂”(肱骨)与远古鱼类胸鳍的后基鳍骨同源,这块骨头在辐鳍鱼类的真骨鱼(teleost,包括鳗鱼、鲤鱼、鲈鱼等大多数常见鱼类)中丢失。在获得原始辐鳍鱼类多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝的基因组序列后,通过与各种有颌脊椎动物基因组的比较,我们发现许多四足动物中调节四肢发育的增强子在原始辐鳍鱼类已经存在。其中一个极端保守的增强子甚至可以追溯到软骨鱼类,这一增强子可以调控下游Osr2基因在滑膜关节的表达。Osr2与滑膜关节的形成相关并能增加四肢运动的灵活性。通过对多鳍鱼胸鳍再生实验以及原位表达分析证实了该基因主要在后基鳍骨与鳍条的连接处表达,这一区域对应了四足物种里的滑膜关节结构。而真骨鱼类的基因组中则丢失了这一增强子,与此对应,真骨鱼类也丢失了后基鳍骨及连接的滑膜关节。这一结果揭示了滑膜关节雏形的遗传创新在硬骨鱼祖先中已经出现,而真骨鱼类次生地失去了相应的功能。

空气呼吸及肺的起源

嗅觉感受器可以感受环境中化学分子的刺激,再将之转换成嗅神经冲动信息。比较基因组学的深入分析发现在这些远古鱼类的嗅觉感受器中同时存在着两种类型的嗅觉受体,除了具有鱼类都拥有的检测水溶性分子的嗅觉受体之外,还具有能够检测空气分子的嗅觉受体。这与它们空气呼吸的能力相一致。此外,通过多器官表达谱的聚类和系统发生关系分析发现肺与鱼鳔的表达谱最为接近,一些肺特异性表达的基因也在鱼的祖先中已经出现,暗示着“原肺”形成的分子基础在硬骨鱼祖先中已经存在。对多个物种的转录组分析显示,在原始辐鳍鱼类肺中高表达的基因显著富集在血管新生通路,这也解释了这些原始辐鳍鱼类的肺或者鱼鳔表面为何密布血管,帮助于氧气在肺部的扩散及运输。这些结果在遗传基础上验证了达尔文提出的肺和鱼鳔是同源器官的假说,也清楚说明,我们常见的真骨鱼的鱼鳔是由脊椎动物早期的肺演化来的。

心脏系统演化

脊椎动物演化过程中心脏和呼吸系统的协同演化发挥着重要作用。呼吸系统为正常心脏功能维持提供氧气,同时依赖心脏将携带氧气的血液运输到全身。从鱼类的一心房一心室再到人的两心房两心室,心脏结构趋向于完善,功能也变得更加复杂。动脉圆锥位于心脏流出通道的上部并与右心室接壤,作为心脏活动的辅助器官,它可以防止血液逆流以及平衡心室血压。原始辐鳍鱼类和更早出现的软骨鱼类也存在动脉圆锥这一结构。通过基因组共线性分析,研究发现跟心脏系统相关的基因在人类和多鳍鱼之间保留了非常保守的共线性关系,提示这些基因也保留了相当保守的调控机制。这一研究还首次找到了一个调控Hand2基因的保守调控原件。研究人员对小鼠基因组中该调控元件进行靶向删除,发现新出生的突变小鼠在早期胚胎发育中,由于右心室Hand2基因表达量降低,从而导致心脏发育不全以及先天性死亡。之前有报道称Hand2基因的功能突变会导法乐氏四联症(一种先天心脏缺陷疾病)的发生。该结果将有助于人类对于心脏发育缺陷的研究。

总结

这一研究不仅在分子水平揭示了许多脊椎动物重要器官的同源关系,还揭示了调控这些器官和相关功能的分子机制。基于物种演化过程的比较分析还首次提出与四足动物陆生适应相关器官和生理功能的遗传调控机制在其硬骨鱼祖先中即已经开始出现雏形。特别是调控空气呼吸功能、骨骼运动灵活性、以及心肺系统发育相关的古老基因调控机制为后续肉鳍鱼登陆演化出四足动物这一飞跃提供了重要的遗传创新基础。

这项研究的通讯作者为张国捷教授(深圳华大基因研究院/中科院昆明动物所/哥本哈根大学)、何舜平研究员(中国科学院水生生物研究所)、朱敏研究员(中科院古脊椎动物与古人类研究所)和王文教授(西北工业大学),第一作者为毕旭鹏(中科院水生所/深圳华大基因研究院)、王堃(西北工业大学)、杨连东(中科院水生所)、潘海林(深圳华大基因研究院)、姜海峰(中科院水生所)和危起伟(中国水产科学研究院长江水产研究所)。

肺鱼基因组的解析及其对四足动物登陆研究的重大启示

第二项关于脊椎动物水生到陆生演化的工作报道了迄今解析的最大基因组,其大小高达400多亿对碱基(40 Gb),是人类基因组大小(3Gb)的10多倍。为高质量解析这一高复杂度巨大基因组,该项目催生了两个三代测序组装软件NextDenovo和wtdbg.2.0,再次提升了我国在基因组学研究领域的基础影响力。最终肺鱼组装结果与预测大小吻合,完整度高达染色体挂载率达到99%以上。该基因组包含了95%以上的脊椎动物完整基因。与此相比,2021年1月在Nature杂志公开的澳洲肺鱼基因组组装大小为34Gb,完成度仅67%的脊椎动物完整基因;2018年2月在Nature杂志公开的美西螈基因组组装大小为32Gb,完成度仅70%。因此,这项工作所报道非洲肺鱼基因组不仅是目前最大的基因组,也是首个完整且高质量的超大基因组,标志了我国科技人员在超大基因组组装方面已经达到国际顶尖水平。

肺鱼基因组的扩增

虽然肺鱼基因组是人类10多倍,但基因数目却与人类差不多,因此肺鱼拥有大量超长基因,最长基因长达18Mb,人类最长基因为2.8Mb。研究发现,肺鱼这些超长基因表达水平与短基因和其他物种的同源基因近似,提示肺鱼演化出了高效转录这些超长基因的机制。研究人员发现,肺鱼基因组之所以如此庞大,主要是由于转座子在肺鱼演化枝中数亿年持续插入的结果。而肺鱼基因组之所以能容忍大量的转座子复制引入“垃圾DNA”是因为同时演化出了抑制转座子在生殖系细胞表达的能力,KRAB和zf-C2H2这两个功能结构域(domain)共同构成的特定锌指蛋白基因家族在肺鱼基因组中大量扩增,其在生殖腺中的表达水平也大大提升。此外,超长基因的长度增长速率也比短基因低,提示肺鱼中基因长度的增长速度也受到了自然选择的控制。这些结果解开了肺鱼超大基因组之谜。

呼吸系统进一步演化

对于直接呼吸空气的生物,液体(血液)-气体(空气)交界面对肺泡造成的表面张力是必须要解决的问题,而肺表面活性剂对解决肺泡的表面张力具有十分关键的作用。肺表面活性剂主要由蛋白和脂类构成,其中的蛋白对肺表面活性剂的生理性能又是决定性的。在陆地脊椎动物中,有四种肺表面活性剂蛋白,分别为SP-A, SP-B, SP-C和SP-D。对原始辐鳍鱼类、肺鱼和四足动物研究发现这些呼吸相关基因经过了三步演化,SP-B是最为古老的蛋白,从硬骨鱼祖先即已出现,与第一项研究发现的硬骨鱼祖先已经具备初步的空气呼吸能力相印证;SP-C则是从肉鳍鱼祖先才出现的新基因,代表了肉鳍鱼祖先呼吸能力的增强,而SP-A和SP-D是从四足动物祖先出现的新基因,标志着呼吸能力在陆生脊椎动物中的成熟。此外,slc34a2基因在循环利用肺表面活性剂的磷脂质方面具有关键性的作用。研究发现,这一基因在肺鱼和四足动物的肺中高表达,而在辐鳍鱼的肺中低表达。此前研究表明,这一基因在斑马鱼中主要在消化系统中表达,以提高磷元素的利用率。因此,这一基因可能是在肉鳍鱼祖先中被肺招募,是其呼吸功能进一步增强的机制之一。

陆生运动系统

在从脊椎动物水生到陆生的演化过程中,运动系统的改变包含多个层面,其中最为引人注目的是五指的形成,五指也是四足动物的标志性表型。此前,对五指的出现也有大量研究,最为广泛接受的观点认为,在鱼类中,hoxa11和hoxa13在四肢的末端共同表达,出现鱼鳍的性状,而在四足动物中,hoxa13在四肢的末端抑制hoxa11的表达,出现五指的性状。然而,此前研究始终未能发现这一机制背后的遗传解析。本研究发现hoxa11的上游200bp左右有一个四足动物起源的新起源调控元件,可能是hoxa13用以控制hoxa11时空表达的关键元件。有趣的是,这一元件还在蛇类和鸟类中出现了较大的变异,与蛇和鸟类四肢的剧烈变异可能密切相关,表明其功能具有较大的研究价值。此外,研究还发现与手臂形成如桡骨出现和运动神经元能力增强的多个相关遗传改变,包括影响桡骨发育的角质鳍条蛋白(actinotrichia proteins)编码基因在肺鱼和四足动物逐渐丢失,控制后肢发育的Hox13b基因发生了四足动物特异的大片段缺失,控制腰椎运动神经元发育的Hoxc10上游在四足动物出现了一个特异的新起源调控元件等。这些结果揭示前所未知的具有五指的四肢和陆上运动能力起源演化的遗传创新过程和机制。

抗焦虑能力增强

在脊椎动物水生陆生转变过程中,大脑中最为显著的改变在杏仁核区域。杏仁核是负责情绪处理的重要器官。在四足动物中,杏仁核开始具备了分区结构和更为复杂的链接。此前也有研究表明,肺鱼的杏仁核也可能与四足动物更为类似。本研究发现,在肺鱼和四足动物的祖先出现了两个新基因,Nps和Npsr,分别编码神经肽S及其受体。这两个基因在杏仁核张表达,是负责抗焦虑的重要基因,这一发现支持了此前的研究结果。此外,研究还发现了多个与杏仁核有关的基因在肺鱼和四足动物祖先出现了较大的氨基酸改变。这些结果提示肺鱼和四足动物的祖先在抗焦虑方面可能具有更强的能力,而这一能力的增强对于脊椎动物登陆可能具有一定的积极作用。

总结

这项研究表明,脊椎动物从水生到陆生的演化呈现了三步式演化的特征。以空气呼吸为例,空气呼吸能力和空气嗅觉的分子基础在硬骨鱼类共同祖先中已经出现,而真骨鱼则丢失了这一特性,属于更为特化的类群。随后,肉鳍鱼的祖先中出现了更多呼吸相关基因和功能元件,使得它们的空气呼吸能力进一步加强。最终,四足动物演化出了更多基因和功能元件从而具备了完备的空气呼吸能力,成功摆脱水的桎梏。与四肢运动相关的功能也呈现渐进式创新的特点,四足动物的肱骨与原始辐鳍鱼的后基鳍骨为同源器官,桡骨则可能从肺鱼和四足动物祖先开始起源,五指则从四足动物开始起源。同时,这项研究也表明,以上这些演化上改变在基因组上的基础主要依赖新基因、新调控元件以及氨基酸序列变异这三类遗传创新。他们为生物体提供了新的蛋白种类和调控方式,为生物体走向新环境,获得新能力奠定了基础。

这项工作的通讯作者为王文教授(中科院昆明动物所/西北工业大学)、何舜平研究员(中国科学院水生生物研究所)、邱强教授(西北工业大学)和赵文明研究员(中科院北京基因组所),第一作者为王堃(西北工业大学)、王俊(华南农业大学)、朱成龙(西北工业大学)、杨连东(中国科学院水生生物研究所)、任彦栋(西北工业大学)、阮珏(中国农业科学院深圳农业基因组研究所)、范广益(青岛华大基因研究院)和胡江(武汉希望组生物科技有限公司)。

参考消息:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00089-1
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00090-8




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