脊椎動物從水生到陸生演化過程中的遺傳創新

王堃，任彥棟，邱強

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脊椎動物從水生到陸生演化過程中的遺傳創新

王堃，任彥棟，邱強

西北工業大學生態環境學院，西安 710072

泥盆紀時期(4億年前)脊椎動物登陸事件是脊椎動物演化史上的一次巨大飛躍，需要脊椎動物在呼吸系統、運動系統和神經系統等諸多方面進行系統革新[1,2]，從而適應從水生到陸生環境的改變。長期的古生物學和系統分類學研究顯示，現存四足動物最近的魚類近親是肺魚，而肉鰭魚亞綱(包含空棘魚、肺魚和四足動物)與輻鰭魚亞綱(常見的各種魚)被統稱為硬骨魚綱。長期以來，肺魚和早期輻鰭魚類這些“活化石”魚類基因組一直缺乏系統研究，特別是肺魚擁有已知脊椎動物中最大的基因組(40 Gb以上)，分析難度極大，因而硬骨魚祖先到肉鰭魚祖先再到陸生脊椎動物演化歷程中的遺傳創新機制這一重大科學問題始終沒有得到很好解答。

2021年2月5日，雜志在線發表了西北工業大學、中國科學院水生生物研究所、中國科學院昆明動物研究所、中國科學院北京基因組研究所、華大基因、丹麥哥本哈根大學、中國科學院古脊椎動物與古人類研究所、中國農業科學院農業基因組研究所、華南農業大學、武漢希望組生物技術公司等多個研究團隊合作完成的兩項脊椎動物演化的重大成果。通過對現生多個古代魚類基因組的研究，以及進化生物學、魚類學、古生物學、計算生物學和實驗生物學等多學科交叉，分別從原始輻鰭魚類和肺魚兩個不同的演化節點角度(圖1)，揭示了脊椎動物從水生到陸生轉變的遺傳創新基礎[3,4]，為理解脊椎動物的演化歷史提供了新的遺傳學證據。

1 原始輻鰭魚類基因組的解析發現登陸的遺傳基礎已經在硬骨魚類祖先出現

如何在缺少水體浮力的情況下支撐身體進行運動，以及如何呼吸空氣中的氧，是脊椎動物從水生到陸生演化過程中需要克服的兩個最重要障礙。原始輻鰭魚類保留了一些克服從水到陸障礙有關的特征，如：擁有原始的用來呼吸空氣的肺，可離水存活一段時間；擁有肌肉和內骨骼支撐的胸鰭柄，可以在水底爬行等。通過解析輻鰭魚類基部的多鰭魚()、匙吻鱘()、弓鰭魚()和鱷雀鱔()4個物種高質量的基因組，結合比較基因組分析和實驗驗證，從分子水平揭示了許多脊椎動物重要器官的同源關系，并首次提出與四足動物陸生適應相關器官和生理功能的遺傳調控機制在其硬骨魚祖先中已開始出現雛形，為后續肉鰭魚登陸演化出四足動物這一飛躍提供了重要的遺傳創新基礎，包括：骨骼運動靈活性、空氣呼吸功能以及心臟系統3個方面(圖1)。

原始輻鰭魚類胸鰭的后基鰭骨與四足動物的“大臂”(肱骨)屬于同源器官，但該器官在輻鰭魚類中的真骨魚這一支則特異性丟失[5~8]。該研究發現許多四足動物中調節四肢發育的增強子在原始輻鰭魚類已經存在，其中一個極端保守的增強子甚至可以追溯到軟骨魚類，這一增強子可以調控下游與滑膜關節形成相關的基因的表達。通過再生實驗以及原位表達分析，證實了該基因主要在后基鰭骨與鰭條的連接處表達，該區域對應了四足動物中的滑膜關節結構，揭示了滑膜關節雛形的遺傳創新在硬骨魚祖先中已經出現。

圖1 脊椎動物水生–陸生轉化過程中的基礎與創新

通過比較基因組分析發現，原始輻鰭魚類的嗅覺感受器中，除了具有魚類都擁有的檢測水溶性分子的嗅覺受體之外，還具有能夠檢測空氣分子的嗅覺受體，同時存在兩種類型的嗅覺受體也暗示其具有潛在的空氣呼吸能力。進一步的多器官表達譜和系統發育分析顯示肺與魚鰾的表達譜最為接近，部分在肺中特異性表達的基因在硬骨魚的祖先中已經出現，暗示著“原肺”形成的分子基礎早已存在。此外，原始輻鰭魚類肺中高表達的基因顯著集中在血管新生通路，可能與其肺或魚鰾表面密布血管從而幫助氧氣擴散及運輸相關。以上結果表明，人們常見的真骨魚的魚鰾是由脊椎動物早期的肺演變而來，并且遺傳基礎早在硬骨魚祖先階段就已經產生。

空氣呼吸能力的出現必然伴隨著血液循環系統的提升，因而心臟和呼吸系統的協同演化對脊椎動物從水生到陸生的轉變至關重要，從魚類的一心房一心室到人類的兩心房兩心室，心臟的結構和功能也不斷趨向完善和復雜。共線性分析發現，與心臟系統相關的基因在人類和多鰭魚之間存在非常保守的共線性關系，表明這些基因具有保守的調控機制。該研究首次鑒定出一個基因的保守調控原件，在小鼠基因組中靶向刪除該調控元件后，發現基因在在早期胚胎的右心室表達量降低，并導致心臟發育不全以及先天性死亡。

2 肺魚基因組的解析揭示脊椎動物水生–陸生轉變過程中的遺傳創新

肺魚是四足動物最近的現生姊妹群，是解析脊椎動物登陸過程不可或缺的橋梁。然而，肺魚屬物種基因組大小從40~100 Gb不等[9]，是人類基因組大小的十數倍，對其超大基因組的解析成為巨大的挑戰。該研究利用單分子測序技術，并開發了全新的組裝算法，成功地解析了非洲肺魚的基因組。該基因組組裝大小為40.05 Gb，與預測大小相吻合，也是迄今已被解析的最大基因組。該基因組包含95.4%的脊椎動物完整基因，組裝質量遠超過2018年發表的美西螈(包含70%脊椎動物完整基因，32 Gb)[10]及2021年發表的澳洲肺魚(包含67%脊椎動物完整基因，34 Gb)[11]基因組，標志著我國科研人員在解析超大復雜基因組方面已經達到國際頂尖水平。利用這一高質量基因組，研究人員揭示了肺魚基因組增大之謎，并深入解析了脊椎動物在登陸過程中出現的新基因、新調控元件及其他遺傳創新。這些遺傳創新與脊椎動物水生-陸生轉變過程中呼吸系統、四肢及運動系統、鰓弓演化和神經系統的演變密切相關(圖1)。

肺魚基因組擴增主要是由于逆轉錄轉座子在數億年中持續插入造成的結果。這一持續性的基因組擴增使得肺魚的內含子長度要遠超其他物種。在肺魚基因組中，基因長度超過1 Mb的有5000個，而在人類基因組中只有數十個。然而，這些超長基因的轉錄水平卻并未受到很大影響，表明肺魚具備對超長基因的高效轉錄機制。通過對數十個脊椎動物基因組的成分進行系統分析，發現與基因組大小呈顯著正相關的不僅有逆轉錄轉座子的數量，另外一類與抑制轉座子直接相關的鋅指蛋白也隨著基因組的增大而普遍擴張，這類鋅指蛋白還在肺魚的生殖腺中高表達，可能在生殖系細胞中起到抑制轉座子活性的作用。這可能是肺魚基因組之所以能容忍數量龐大的逆轉錄轉座子的因素之一，也是大基因組應對逆轉錄轉座子的一種補償機制。

四足動物的標志是五指的形成，這一表型也標志著脊椎動物真正走向陸地。此前的主流觀點認為，和在四肢末端的互斥表達是五指形成的機制。當和在四肢末端共表達時，出現類似魚鰭的表型；當在四肢末端抑制的表達時，則出現五指的表型，然而此前的研究始終未能發現這一調控背后所對應的遺傳創新機制。在高質量肺魚基因組基礎上，該研究在上游200 bp左右發現了一個四足動物新起源的調控元件，可能與用以調控的時空表達密切相關。有趣的是，這一新起源的調控元件在蛇類和鳥類中發生了較大的變異，可能與其附肢的特化有關。該研究還發現了多個與手臂形成(橈骨出現和運動神經元能力增強)相關的遺傳變異，包括影響四肢發育的角質鰭條蛋白編碼基因在肺魚(丟失一個拷貝)和四足動物(丟失全部拷貝)中漸進式丟失，控制后肢發育的基因在四足動物中發生了特異性的大片段缺失，控制腰椎運動神經元發育的基因上游產生了四足類動物特異性的調控元件等。這些結果首次在全基因組水平揭示了脊椎動物獲得陸地性附肢和運動能力的遺傳創新機制。

液體(血液)與空氣交界面對肺泡造成的表面張力是直接呼吸空氣的陸生脊椎動物必須要面對的挑戰，而肺表面活性劑基因的表達則是解決這一問題的關鍵。陸地脊椎動物中的肺表面活性劑基因包括、、和四種[12~14]。該研究發現這些基因經歷了至少3步演化，從硬骨魚祖先就開始出現的證明了硬骨魚祖先就已經具備初步的空氣呼吸能力；而從肉鰭魚祖先出現的新基因，證明了肉鰭魚祖先呼吸能力得到了進一步的增強；最終從四足動物祖先開始出現的新基因和，標志著陸生脊椎動物呼吸系統的完備。此外，基因在循環利用肺表面活性劑的磷脂質方面具有關鍵性作用，該基因在肺魚和四足動物的肺中高表達，但在輻鰭魚類的肺中低表達。此前研究表明，該基因在斑馬魚中主要在消化系統中表達，以提高磷元素的利用率[15,16]。因此，該基因可能是在肉鰭魚祖先中被肺招募，使其呼吸功能得到了進一步增強。

在脊椎動物登陸過程中，大腦中最為顯著的改變發生在負責情緒處理的杏仁核區域中[17]。從肺魚和四足動物的共同祖先開始，杏仁核開始具備相對成熟的多分區結構[18,19]。該研究發現，在肺魚和四足動物的祖先出現了兩個新基因，和，分別編碼神經肽S及其受體。這兩個新基因在杏仁核中表達，負責抗焦慮功能。此外，該研究還發現了多個與杏仁核有關的基因在肺魚和四足動物祖先都出現了較大的氨基酸變異。這些結果提示肺魚和四足動物在抗焦慮方面可能具有更強的能力，而這一能力的增強可能對陸地生活有益。

這兩項創新性的研究成果，為人們更清晰描繪脊椎動物從水生到陸生的演化過程提供了新的遺傳證據：(1)四足動物陸生性背后的遺傳基礎早在硬骨魚共同祖先已經出現，對后續的跨越式演化提供了分子遺傳基礎，特別是調控空氣呼吸功能、骨骼運動靈活性、以及心肺系統發育相關的古老基因和調控元件；(2)而肉鰭魚的祖先則在空氣呼吸、陸地運動和神經系統方面得到進一步的完善，為四足動物的最終登陸做好了前期準備。

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2021-02-04;

2021-02-10

王堃，博士，副教授，研究方向：脊椎動物演化。E-mail: wangkun@nwpu.edu.cn

任彥棟，博士，博士后，研究方向：進化基因組學。E-mail: renyandong90@126.com

王堃和任彥棟為共同第一作者。

邱強，博士，教授，研究方向：進化基因組學。E-mail: qiuqiang@lzu.edu.cn

10.16288/j.yczz.21-063

2021/2/24 11:26:36

URI: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20210223.1648.002.html