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周琦实验室在Nature Communications杂志发表论文揭示五步蛇基因组演化机制

时间:2016年10月12日 访问次数:2686

        2016106日,我院周琦实验室联合深圳国家基因库、中山大学等机构合作完成的五步蛇基因组学研究成果在线发表于国际权威期刊《自然通讯》(Nature Communications)。该研究成果公布了高质量的五步蛇基因组图谱,并通过对不同蛇类基因组的比较分析,揭示了蛇类适应性进化、功能退化和性染色体演化的遗传基础和分子机制,为五步蛇相关药物研发、进化生物学研究等方面提供了基因组学基础数据。
        蛇作为爬行纲的典型代表,具有躯干、器官细长、体表覆盖鳞片、四肢退化等特征。蛇通过一系列的形态重塑和生理变化实现适应性辐射,其物种丰富,分布广泛。然而,目前人们对于蛇类演化的分子机制很大程度上来源于部分特定功能基因的分析,缺乏全基因组水平、多物种的比较研究。蛇类性染色体的分化具有多态性,包含了由低等到高等、从同型染色体分化为异型染色体的多种类型,这使得蛇类成为性染色体起源和进化研究的理想模型。
    目前公布的蛇类基因组主要来源于蚺科、蟒蛇科、游蛇科和眼镜蛇科,缺乏蝰蛇科的物种。研究人员在本研究中选取东亚特有的五步蛇(Deinagkistrodonacutus)作为研究对象,它是中国毒蛇的代表,以毒性强烈、性情凶猛而闻名。五步蛇属于蝰蛇科,是最为高等的蛇科。相对于其它蛇科物种,它进化出了红外线热感应器官、特殊的溶血性毒液系统和高度分化的异型性染色体。
        通过对五步蛇的基因组和不同组织转录组进行深度测序,研究人员成功绘制出了高质量的五步蛇基因组图谱。结合已发表的蛇类(红尾蚺、缅甸蟒、眼睛王蛇)和绿蜥蜴的比较基因组学研究,研究人员系统地重塑了蛇类基因组特征、基因家族、功能基因以及性染色体的演化历程。
        研究人员发现蛇类基因组中的转座子呈现物种特异性的扩张。转座子在五步蛇的脑组织中特异性表达,并和邻近基因的表达相关联。这些基因显著富集于环境应激和脑信号通路。以上结果表明在漫长的演化过程中,转座子对于蛇类基因组的塑造和基因功能的调控发挥着重要作用。
        研究人员通过对不同蛇类基因家族、功能基因的比较分析,发现了许多和蛇类适应性进化以及功能退化相关的遗传变化。长久以来,人们普遍认为蛇类前肢的退化发生在蛇类的共同祖先,后肢退化在不同物种中独立演化,如蟒蛇至今仍然有残留的后肢骨骼。然而本研究对Hox基因及其他肢体发育、体节发生相关基因的进化分析为之前的化石发现提供了有力的分子证据。此外,和视觉、听觉相关的基因在蛇类中都发生了不同程度的丢失和退化。与之相对的是,嗅觉受体基因在蛇类中发生了特异性的扩张,红外受体基因在五步蛇中发生了适应性进化。这些功能基因的变化可能与蛇的祖先从地底转移到地表,适应不同环境相关。和其它蝰蛇、眼镜王蛇相比,五步蛇具有截然不同的毒液成分,某些毒素家族基因(例如蛇毒金属蛋白酶、C-型凝集素蛋白、蛇毒丝氨酸蛋白酶)发生了特异性扩张并具有物种表达特异性。这说明五步蛇和眼镜王蛇遗传物质的差异导致了各自毒液系统的特异性。进一步研究还发现这些毒液基因大都由与消化有关的酶演化而来。
        利用测序序列在雌雄基因组上的深度差异和特异性,研究人员获得了五步蛇的Z、W性染色体序列。通过不同蛇科性染色体间的比较研究,研究人员推断出新蛇总科(包含了85%的现存蛇种,细分为六个蛇科)祖先的性染色体至少经历了三次重组抑制事件,进而导致W染色体的退化,从而解释了五步蛇高度分化异型性染色体的演化历程。
        本研究为对东亚特有毒蛇以及其他多个蛇的物种首次大规模基因组比较研究。对于加深人们对蛇表型演化和适应性遗传基础的认识,以及利用五步蛇毒开发溶血栓药物具有重要意义。

        文章链接:http://www.nature.com/articles/ncomms13107