海马是属于海龙科的硬骨鱼类，属于我国名贵中药，也是动物界的父爱模范。雄性海马的腹部在一定发育阶段能够形成类似人类胎盘作用的育儿囊。在雌性海马将卵产入之后，卵子在育儿囊中完成受精并孵化成胚胎由雄海马分娩到体外。整个怀孕期间由海马爸爸哺育后代和提供养分。尽管雄性怀孕现象在其他海龙科物种中也存在，但其他物种没有或者只有半开放式的育儿囊，唯有海马演化出了几乎完全封闭的育儿囊，增加了可以携带胚胎的数量，也给胚胎以很好的保护。因此海马是研究动物胎生和性别选择机制的独特模型，但其性别决定的方式以及性染色体的演化机制仍并不为人所知。2022年12月29日，我院周琦课题组已毕业博士生龙欣在Molecular Biology and Evolution杂志在线发表了题为“Independent evolution of sex chromosomes and male pregnancy-related genes in two seahorse species”的研究论文。该研究在实验室前期报道的膨腹海马基因组相关研究 1的基础上，首次鉴定了两种我国常见海马物种，膨腹海马和线纹海马的性染色体和性别决定区域，通过比较分析揭示了海马育儿囊相关基因的适应性演化，以及动物不同性染色体系统相互颠换的演化机制。
图1. 膨腹海马（上图，左雌右雄），下图膨腹海马（左）和线纹海马（右）的性染色体
与人类和鸟类不同，很多硬骨鱼类有着形态大小接近的性染色体(同形性染色体)。即使是亲缘关系较近的鱼类也可能存在着不同的性染色体，携带不同的性别决定基因，这一现象被称为性染色体的颠换（turnover）。该研究首次揭示了海马的性染色体和性别连锁区域，膨腹海马（Hippocampus abdominalis）和线纹海马（Hippocampus erectus）均拥有同形性染色体，并且在某一条染色体区域带有雄性特异的杂合位点，说明二者均有着XY性别决定机制（图1）。这两条性染色体起源于不同的常染色体，说明在两个海马物种中发生了性染色体的颠换，海马性染色体的出现是独立演化的结果。此前研究报道的 2其他海龙科物种澳洲叶海马鱼(Phyllopteryx taeniolatus)和绿海龙 (Syngnathoides biaculeatus)的性别决定基因AMHR2Y并不存在与海马物种中，因此海马确切的性别决定基因还有待后续研究（图2）。
图2. 海龙科和慈鲷科物种性染色体的演化
性染色体演化的关键步骤通常包含了重组抑制，以人类的XY性别决定系统为例，重组抑制使得Y染色体上对雌性有害的突变不能重组到Ｘ染色体上，但同时代价是会积累大量的有害突变，导致包括人类在内大部分物种的Y染色体发生功能退化。但极为特别的是，海马的Ｙ染色体没有任何退化迹象，因为X与Y之间的重组没有被完全抑制。研究发现，有很低比例的雌性海马在性别决定区域携带了雄性的基因型，反之亦然。这提示海马的性别区域并非百分之百的性别连锁，而是存在着极低程度的随机发生的同源重组，而这又可能是鱼类中常见的性逆转导致。有趣的是，基因组比对结果进一步揭示膨腹海马性染色体对应了被称为“活化石”的北美淡水鱼斑雀鳝两条不同的染色体。这两条染色体的融合位点，即着丝粒区域，恰好对应于膨腹海马性别决定区域和邻近区域的边界，说明膨腹的性染色体的形成可能受到了古老的染色体重排事件的影响。
图3. 海马候选的性别决定基因
为了探究海马性别决定区域内部可能的性别决定基因，本研究同时收集了海马性腺和育儿囊的转录组数据。线纹海马性染色体四号染色体的性别决定区域中存在CYP11A1 和WT1 这两个已知的处于性腺发育信号通路的基因，膨腹海马六号染色体的性别连锁区域中存在作用于精母细胞减数分裂的MSH5基因，这些基因均在睾丸中有着相较于卵巢或普通身体组织的高表达(图3)，其中WT1和MSH5还在小鼠中敲除后还产生了不育表型，可作为候选的性别决定基因。通过对雌雄组织之间差异表达基因的分析发现，雄性育儿囊相较于其他身体组织有着更高比例的雄性偏好表达的基因，且这些雄性育儿囊相对雌雄腹部皮肤偏好表达的基因富集在性别连锁区域中。同时功能富集分析发现在雄性育儿囊特异表达的基因富集着多个免疫相关的基因本体条目，包括T细胞受体通路、固有免疫应答、白细胞激活与分化等，体现出海马的雄性怀孕机制的演化和免疫系统相关基因的表达变化有关。两种海马的四号染色体均富集睾丸特异表达的基因，该染色体也与澳洲叶海马鱼的性染色体，以及一些慈鲷科鱼类的性染色体同源，说明祖先中古老的睾丸特异表达的基因的富集使得四号染色体可以携带更多雄性性别决定相关的突变，更有可能成为性染色体。而育儿囊特异表达的基因仅富集于膨腹海马的性染色体，说明这些基因可能是在该性别连锁区域形成之后才出现的富集，是适应性演化的体现，也体现出该性染色体的演化还没有进展到基因丢失的阶段，是一条年轻的性染色体。
该研究首次揭示了海马，这一具有独特繁殖行为的物种的性染色体演化机制，提出了候选的性别决定基因，为后续进一步构建海龙科物种性染色体演化的历史，以及研究性腺及育儿囊的发育及演化打下了一定基础。研究受到了国家自然科学基金面上项目、浙江省自然科学基金的资助。周琦实验室的主要研究工作致力于揭示动物性染色体的多样性和其背后深层的分子演化机制，至今已经广泛研究报道了各种动物包括天堂鸟，鸭嘴兽，五步蛇，鸸鹋等各种动物特殊的性别染色体系统的演化。本工作为浙江大学生命科学研究院周琦教授与福建师范大学黄镇副教授和福建水产研究所郑乐云教授团队的合作成果。
全文链接：https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msac279/6964685
参考文献：
1.He, L. et al. Genome and gene evolution of seahorse species revealed by the chromosome-level genome of Hippocampus abdominalis. Mol. Ecol. Resour. (2021).
2.Qu, M. et al. Seadragon genome analysis provides insights into its phenotype and sex determination locus. Sci Adv 7(2021).
