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鱼是怎么爬上陆地的?华大等机构同期2篇Cell论文揭示脊椎动物从水生到陆生的演化之谜!

发布日期:2021/02/05 浏览次数:

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。

北京时间2021年2月5日,国际著名学术刊物《细胞》(Cell)在线发表了华大主导及参与的两篇研究论文 “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”。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



Cell官网截图

原始辐鳍鱼类基因组的解析发现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。


早期四足类祖先登陆器官演化假想

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。

“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。”


主要现生脊椎动物类群演化简图

这项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/深圳华大生命科学研究院)、王堃(西北工业大学)、杨连东(中科院水生所)、潘海林(深圳华大生命科学研究院)、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。


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

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[1]

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。

参考文章

1. Fan G, Song Y, Yang L, et al. Initial data release and announcement of the 10,000 Fish Genomes Project (Fish10K)[J]. GigaScience, 2020, 9(8): giaa080.

论文链接

  • Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes

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

  • African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition

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

*封面图作者:刘野