-“活化石”基因组揭示脊椎动物“登陆”之谜
发布时间:2021-02-05
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-“活化石”基因组揭示脊椎动物“登陆”之谜

人类的祖先从水里而来,但脊椎动物“从鱼到人”的演化历史还存在大量缺失的篇章。比如,从硬骨鱼到陆生脊椎动物,其中的分子遗传机制到底是什么?这一直是科学界悬而未决的重大问题。

最近,这一难题有了新解。研究人员在横跨亿年存活的原始辐鳍鱼身上找到了“登陆”的谜底。

中国科学院武汉水生生物研究所、深圳华大基因研究院、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的科研人员联合公布了早期辐鳍鱼类——多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝的基因组研究结果。这项通过比较解剖学、古生物学、比较基因组学、演化生物学、计算生物学等多学科交叉研究的成果,2月5日在线发表于《细胞》。

硬骨鱼祖先拥有“登陆”的遗传基础

硬骨鱼类是脊椎动物演化树上的主干,它很早就分化出了两大支系——肉鳍鱼类和辐鳍鱼类,它们分别征服了地球的陆地和水域。肉鳍鱼类开始登上陆地后,演化出了包括人类在内的所有陆地脊椎动物,也就是四足动物。

在脊椎动物从水生到陆生的过程中有许多障碍需要克服,其中两个重要问题就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。

“我们发现,四足动物克服这些障碍所需的部分生物学特征其实在早期硬骨鱼类中就已经产生,而多鳍鱼、鲟鱼、弓鳍鱼、雀鳝等较早起源的原始辐鳍鱼类里也保留了这些硬骨鱼祖先的特征。”论文主要通讯作者、中国科学院昆明动物研究所客座研究员、深圳华大基因研究院研究员张国捷告诉《中国科学报》。

特别是多鳍鱼,它拥有原始的用来呼吸空气的肺,可以在溶氧量极低的水中通过背部的喷水孔吸入空气,甚至离水存活一段时间。在运动方面,多鳍鱼还拥有肌肉和内骨骼支撑的胸鳍柄,可以在水底爬行。

为“登陆”服务的古老基因和调控元件

在此基础上,研究人员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的基础上,初步验证了原始辐鳍鱼具备与“登陆”有关的遗传机制。

张国捷介绍,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。这与它们能在水面外进行空气呼吸的能力相一致。

而且,研究人员通过比较多物种基因表达谱发现,一些肺特异性表达的基因在鱼的祖先中已经出现,这就暗示着“原肺”形成的分子基础在硬骨鱼祖先中已经存在。

同时,通过原始辐鳍鱼类基因组序列与各种有颌脊椎动物基因组的比较研究,科学家发现,许多四足动物中调节四肢发育的基因调控元件在原始辐鳍鱼类中已经存在。张国捷解释,其中一个超级保守的基因调控元件可以调控Osr2基因在滑膜关节的表达,这一结构的存在,增加了骨骼运动的灵活性,为后期登陆爬行的演化奠定了基础。

值得注意的是,脊椎动物演化过程中心脏和呼吸系统的协同演化发挥着重要作用。研究人员惊喜地找到了一个影响心脏发育和功能的古老调控元件,实验证明如果失去它,脊椎动物可能面临心脏发育不全以及先天性死亡的风险。而这个重要的元件可以追溯到硬骨鱼的共同祖先。

“这项研究不仅揭示了陆生脊椎动物起源的生理及分子机制,也在分子水平证明了许多脊椎动物重要器官的同源关系。”张国捷强调。

“经过上亿年的演化,这样的基因和调控机制依然存在,证明它们对生物体非常重要。”在他看来,找到这些保守的基因,无论是对研究演化生物学上的遗传机制,还是研究人类某些疾病产生的机理,都很有意义。

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图中展示了原始辐鳍鱼已经具备大量陆生特性相关的关键基因组元件。(课题组提供)



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