（神秘的破解地球uux.cn報道）據(jù)深圳華大生命科學(xué)研究院：脊椎動物從水生到陸生是脊椎動物演化史上的一次飛躍，這一過程需要在呼吸系統(tǒng)、脊椎假說運(yùn)動系統(tǒng)、動物到陸的肺南通品茶預(yù)約【電話微信1662+044-1662】提供外圍女上門服務(wù)快速選照片快速安排不收定金面到付款30分鐘可到達(dá)神經(jīng)系統(tǒng)等方面進(jìn)行各種生理和形態(tài)的水生生演革新，才能實現(xiàn)水生到陸生的化之和魚轉(zhuǎn)變。經(jīng)過長期的謎驗古生物學(xué)和脊椎動物學(xué)的研究，已知現(xiàn)在還在活著的證達(dá)四足動物的最近魚類近親是肺魚。空棘魚、爾文肺魚和四足動物組成了肉鰭魚亞綱，提出與常見的鰾同各種魚所在的輻鰭魚亞綱一起被統(tǒng)稱為硬骨魚綱。然而，源器從硬骨魚祖先到肉鰭魚祖先再到陸生脊椎動物各種進(jìn)化改變的破解遺傳創(chuàng)新基礎(chǔ)是什么，一直是脊椎假說科學(xué)界懸而未決的重大科學(xué)問題。解析肺魚和早期輻鰭魚類這些“活化石”魚類的動物到陸的肺基因組是解決這一重大問題的關(guān)鍵。除了非洲空棘魚（矛尾魚）基因組在2013年被解析外，水生生演其他物種的遺傳密碼都還尚未被解析，并缺乏系統(tǒng)研究。尤其肺魚更是擁有已知脊椎動物中最為龐大的基因組（40 Gb以上，人類基因組約3 Gb），長期以來科學(xué)家都想解析其基因組，但一直未能成功。

肺魚（lungfish）。圖片引自：https://alchetron.com/Lungfish#lungfish-f14c9e39-bfca-4867-82f7-db17f33f4a4-resize-750.png
2021年2月4日，Cell在線發(fā)表了題目分別為“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”的兩篇研究論文（圖一、二）。兩項姊妹篇研究分別解析了原始輻鰭魚類塞內(nèi)加爾多鰭魚、匙吻鱘、弓鰭魚和鱷雀鱔，以及現(xiàn)生肉鰭魚類中與四足動物親緣關(guān)系最近的非洲肺魚共五個物種的基因組。兩篇論文交叉整合了基因組學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)、魚類學(xué)、古生物學(xué)、計算生物學(xué)和實驗生物學(xué)等學(xué)科，從不同角度和不同演化節(jié)點揭示了脊椎動物水生到陸生轉(zhuǎn)變的遺傳基礎(chǔ)之謎。
原始輻鰭魚類基因組的解析發(fā)現(xiàn)登陸的遺傳基礎(chǔ)已經(jīng)在硬骨魚類祖先出現(xiàn)
在脊椎動物從水生到陸生的演化過程中有許多的障礙需要克服，其中兩個重要問題是如何在缺少水體浮力的情況下支撐身體進(jìn)行運(yùn)動，以及如何呼吸空氣中的氧。多鰭魚、鱘魚、弓鰭魚、雀鱔等原始輻鰭魚類，盡管與登陸“先遣隊”親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，但卻保留了一些與克服上述從水到陸障礙有關(guān)的特征。特別是多鰭魚，擁有原始的用來呼吸空氣的肺，其中多鰭魚可以在溶氧量極低的水中通過背部的噴水孔吸入空氣，甚至離水存活一段時間。此外，多鰭魚也與空棘魚相似，擁有肌肉和內(nèi)骨骼支撐的胸鰭柄，可以在水底爬行。這些原始魚類所具有的獨特生物學(xué)特性和演化地位吸引著眾多科學(xué)家對它們進(jìn)行研究。第一項研究解析了高質(zhì)量染色體級別的多鰭魚基因組以及其他三種原始輻鰭魚的基因組，基于這些基因組信息，通過比較分析和實驗驗證，揭示了原始輻鰭魚類中已經(jīng)演化出的支撐后來肉鰭魚進(jìn)一步演化到四足動物的遺傳前提基礎(chǔ)。
調(diào)節(jié)四肢運(yùn)動靈活性的遺傳基礎(chǔ)
現(xiàn)生物種和滅絕物種的骨骼比較已經(jīng)知道包括人在內(nèi)的四足動物的“大臂”(肱骨)與遠(yuǎn)古魚類胸鰭的后基鰭骨同源，這塊骨頭在輻鰭魚類的真骨魚(teleost，包括鰻魚、鯉魚、鱸魚等大多數(shù)常見魚類)中丟失。在獲得原始輻鰭魚類多鰭魚、匙吻鱘、弓鰭魚和鱷雀鱔的基因組序列后，通過與各種有頜脊椎動物基因組的比較，研究人員發(fā)現(xiàn)許多四足動物中調(diào)節(jié)四肢發(fā)育的增強(qiáng)子在原始輻鰭魚類已經(jīng)存在。其中一個極端保守的增強(qiáng)子甚至可以追溯到軟骨魚類，這一增強(qiáng)子可以調(diào)控下游Osr2基因在滑膜關(guān)節(jié)的表達(dá)。Osr2與滑膜關(guān)節(jié)的形成相關(guān)并能增加四肢運(yùn)動的靈活性。通過對多鰭魚胸鰭再生實驗以及原位表達(dá)分析證實了該基因主要在后基鰭骨與鰭條的連接處表達(dá)，這一區(qū)域?qū)?yīng)了四足物種里的滑膜關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。而真骨魚類的基因組中則丟失了這一增強(qiáng)子，與此對應(yīng)，真骨魚類也丟失了后基鰭骨及連接的滑膜關(guān)節(jié)。這一結(jié)果揭示了滑膜關(guān)節(jié)雛形的遺傳創(chuàng)新在硬骨魚祖先中已經(jīng)出現(xiàn)，而真骨魚類次生地失去了相應(yīng)的功能。
空氣呼吸及肺的起源
嗅覺感受器可以感受環(huán)境中化學(xué)分子的刺激，再將之轉(zhuǎn)換成嗅神經(jīng)沖動信息。比較基因組學(xué)的深入分析發(fā)現(xiàn)在這些遠(yuǎn)古魚類的嗅覺感受器中同時存在著兩種類型的嗅覺受體，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。這與它們空氣呼吸的能力相一致。此外，通過多器官表達(dá)譜的聚類和系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)肺與魚鰾的表達(dá)譜最為接近，一些肺特異性表達(dá)的基因也在魚的祖先中已經(jīng)出現(xiàn)，暗示著“原肺”形成的分子基礎(chǔ)在硬骨魚祖先中已經(jīng)存在。對多個物種的轉(zhuǎn)錄組分析顯示，在原始輻鰭魚類肺中高表達(dá)的基因顯著富集在血管新生通路，這也解釋了這些原始輻鰭魚類的肺或者魚鰾表面為何密布血管，幫助氧氣在肺部的擴(kuò)散及運(yùn)輸。這些結(jié)果在遺傳基礎(chǔ)上驗證了達(dá)爾文提出的肺和魚鰾是同源器官的假說，也清楚說明，我們常見的真骨魚的魚鰾是由脊椎動物早期的肺演變而來的。
心臟系統(tǒng)演化
脊椎動物演化過程中心臟和呼吸系統(tǒng)的協(xié)同演化發(fā)揮著重要作用。呼吸系統(tǒng)為正常心臟功能維持提供氧氣，同時依賴心臟將攜帶氧氣的血液運(yùn)輸?shù)饺怼聂~類的一心房一心室再到人的兩心房兩心室，心臟結(jié)構(gòu)趨向于完善，功能也變得更加復(fù)雜。動脈圓錐位于心臟流出通道的上部并與右心室接壤，作為心臟活動的輔助器官，它可以防止血液逆流以及平衡心室血壓。原始輻鰭魚類和更早出現(xiàn)的軟骨魚類也存在動脈圓錐這一結(jié)構(gòu)。通過基因組共線性分析，研究發(fā)現(xiàn)跟心臟系統(tǒng)相關(guān)的基因在人類和多鰭魚之間保留了非常保守的共線性關(guān)系，提示這些基因也保留了相當(dāng)保守的調(diào)控機(jī)制。這一研究還首次找到了一個調(diào)控Hand2基因的保守調(diào)控原件。研究人員對小鼠基因組中該調(diào)控元件進(jìn)行靶向刪除，發(fā)現(xiàn)新出生的突變小鼠在早期胚胎發(fā)育中，由于右心室Hand2基因表達(dá)量降低，從而導(dǎo)致心臟發(fā)育不全以及先天性死亡。之前有報道稱Hand2基因的功能突變會導(dǎo)法樂氏四聯(lián)癥（一種先天心臟缺陷疾病）的發(fā)生。該結(jié)果將有助于人類對于心臟發(fā)育缺陷的研究。
總結(jié)
這一研究不僅在分子水平揭示了許多脊椎動物重要器官的同源關(guān)系，還揭示了調(diào)控這些器官和相關(guān)功能的分子遺傳機(jī)制。基于物種演化過程的比較分析還首次提出與四足動物陸生適應(yīng)相關(guān)器官和生理功能的遺傳調(diào)控機(jī)制在其硬骨魚祖先中即已經(jīng)開始出現(xiàn)雛形。特別是調(diào)控空氣呼吸功能、骨骼運(yùn)動靈活性、以及心肺系統(tǒng)發(fā)育相關(guān)的古老基因和調(diào)控元件為后續(xù)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(chuàng)新基礎(chǔ)。

原始輻鰭魚已經(jīng)具備大量陸生特性相關(guān)的關(guān)鍵基因組元件
這項研究的通訊作者為張國捷教授（深圳華大基因研究院/中科院昆明動物所/哥本哈根大學(xué)）、何舜平研究員（中科院水生所）、朱敏研究員（中科院古脊椎動物與古人類研究所）和王文教授（西北工業(yè)大學(xué)/中科院昆明動物所），第一作者為畢旭鵬（中科院水生所/深圳華大基因研究院）、王堃（西北工業(yè)大學(xué)）、楊連東（中科院水生所）、潘海林（深圳華大基因研究院）、姜海峰（中科院水生所）和危起偉（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江水產(chǎn)研究所）。
肺魚基因組的解析及其對四足動物登陸研究的重大啟示
第二項關(guān)于脊椎動物水生到陸生演化的工作報道了迄今解析的最大基因組，其大小高達(dá)400多億對堿基（40 Gb），是人類基因組大小（3Gb）的10多倍。為高質(zhì)量解析這一高復(fù)雜度巨大基因組，該項目催生了兩個三代測序組裝軟件NextDenovo和wtdbg.2.0，再次彰顯了我國在基因組學(xué)研究領(lǐng)域的前沿影響力。最終肺魚組裝結(jié)果與預(yù)測大小吻合，完整度高達(dá)染色體掛載率達(dá)到99%以上。該基因組包含了95%以上的脊椎動物完整基因。與此相比，2021年1月在Nature雜志公開的澳洲肺魚基因組組裝大小為34Gb，完成度僅67%的脊椎動物完整基因；2018年2月在Nature雜志公開的美西螈基因組組裝大小為32Gb，完成度僅70%。因此，這項工作所報道的非洲肺魚基因組不僅是目前最大的基因組，也是首個完整且高質(zhì)量的超大基因組，標(biāo)志著我國科技人員在超大基因組解析方面已經(jīng)達(dá)到國際頂尖水平。
肺魚基因組的擴(kuò)增
雖然肺魚基因組是人類10多倍，但基因數(shù)目卻與人類差不多，因此肺魚擁有大量超長基因，最長基因長達(dá)18Mb，人類最長基因為2.8Mb。研究發(fā)現(xiàn)，肺魚這些超長基因表達(dá)水平與短基因和其他物種的同源基因近似，提示肺魚演化出了高效轉(zhuǎn)錄這些超長基因的機(jī)制。研究人員發(fā)現(xiàn)，肺魚基因組之所以如此龐大，主要是由于轉(zhuǎn)座子在肺魚演化枝中數(shù)億年持續(xù)插入的結(jié)果。而肺魚基因組之所以能容忍大量的轉(zhuǎn)座子復(fù)制累積“垃圾DNA”可能是因為同時演化出了抑制轉(zhuǎn)座子在生殖系細(xì)胞表達(dá)的能力，因為KRAB和zf-C2H2這兩個功能結(jié)構(gòu)域（domain）共同構(gòu)成的特定鋅指蛋白基因家族在肺魚基因組中大量擴(kuò)增，其在生殖腺中的表達(dá)水平也大大提升。此外，超長基因的長度增長速率也比短基因低，提示肺魚中基因長度的增長速度也受到了自然選擇的控制。這些結(jié)果解開了肺魚超大基因組之謎。
抗焦慮能力增強(qiáng)
在脊椎動物水生陸生轉(zhuǎn)變過程中，大腦中最為顯著的改變在杏仁核區(qū)域。杏仁核是負(fù)責(zé)情緒處理的重要器官。在四足動物中，杏仁核開始具備了分區(qū)結(jié)構(gòu)和更為復(fù)雜的鏈接。此前也有研究表明，肺魚的杏仁核也可能與四足動物更為類似。本研究發(fā)現(xiàn)，在肺魚和四足動物的祖先出現(xiàn)了兩個新基因，Nps和Npsr，分別編碼神經(jīng)肽S及其受體。已知這兩個基因在杏仁核表達(dá)，是負(fù)責(zé)抗焦慮的重要基因。此外，研究還發(fā)現(xiàn)了多個與杏仁核有關(guān)的基因在肺魚和四足動物祖先出現(xiàn)了較大的氨基酸改變。這些結(jié)果提示肺魚和四足動物的祖先在抗焦慮方面可能具有更強(qiáng)的能力，而這一能力的增強(qiáng)對于脊椎動物登陸可能具有一定的積極作用。

非洲肺魚基因組為理解脊椎動物水生陸生轉(zhuǎn)變提供了重要橋梁
總結(jié)
這項研究表明，脊椎動物從水生到陸生的演化呈現(xiàn)了三步式演化的特征。以空氣呼吸為例，空氣呼吸能力和空氣嗅覺的分子基礎(chǔ)在硬骨魚類共同祖先中已經(jīng)出現(xiàn)，而真骨魚則丟失了這一特性，屬于更為特化的類群。隨后，肉鰭魚的祖先中出現(xiàn)了更多呼吸相關(guān)基因和功能元件，使得它們的空氣呼吸能力進(jìn)一步加強(qiáng)。最終，四足動物演化出了更多基因和功能元件從而具備了完備的空氣呼吸能力，成功擺脫水的桎梏。對于各種陸生適應(yīng)性狀相關(guān)的遺傳創(chuàng)新分析表明，新基因的起源、新調(diào)控元件的出現(xiàn)以及基因編碼氨基酸的改變等三類遺傳創(chuàng)新在脊椎動物水生到陸生的演化過程中都發(fā)揮了作用。
這項工作的通訊作者為王文教授（中科院昆明動物所/西北工業(yè)大學(xué)）、何舜平研究員（中科院水生所）、邱強(qiáng)教授（西北工業(yè)大學(xué)）和趙文明研究員（中科院北京基因組所），第一作者為王堃（西北工業(yè)大學(xué)）、王俊（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)）、朱成龍（西北工業(yè)大學(xué)）、楊連東（中科院水生所）、任彥棟（西北工業(yè)大學(xué)）、阮玨（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所）、范廣益（青島華大基因研究院）和胡江（武漢希望組生物科技有限公司）。
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