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呂振明教授團隊在《Nature Genetics》上發表論文揭示比目魚類的進化起源及其獨特體型的形成機制

作者: 時間:2021-04-20 點擊數:

近日,浙江海洋大學海洋科學與技術學院呂振明教授團隊開展的鰈形目(又稱比目魚)魚類起源及其體軸形成機制的研究,取得了重要進展。該成果以"Large-scale sequencing of flatfish genomes provides insights into the polyphyletic origin of their specialized body plan"為題,于2021年4月19日在Nature子刊《Nature Genetics》上發表,該期刊近5年的影響因子為30.35。

圖1.本研究涉及的物種及其海域分布范圍

比目魚為硬骨魚綱鰈形目種類,是迄今發現的地球上體型最為獨特的魚類之一。在漫長的底棲適應過程中,比目魚類逐步演化出了扁平且不對稱的體型結構,扁平體軸使其更容易將其側扁的身體埋棲于一薄層泥沙之下(僅使眼睛露出)而躲避敵害;而不對稱體型(如眼睛偏轉至腦顱同側)則賦予了鰈形目魚類埋棲時的雙視野,從而使其更容易定位和捕食獵物而獲得生存競爭優勢;而更奇特的是比目魚的鰭也發生了明顯改變,使其可通過長而有力的背鰭、臀鰭和短而強壯的胸鰭協調運動形成“鰭足”以全新的脊椎動物步伐在海底“行走”;并在其休息時依靠其強壯的胸鰭將身體微微撐起,以更敏銳的視角觀察周圍的獵物和敵害,可以說從進化角度講,鰈形目魚類可能代表了硬骨魚類底棲環境適應性進化的典型和極致。然而如此獨特的鰈形目魚類是如何起源的?其通過何種機制逐步進化出如此獨特的體軸特征的?多年來一直存在爭論。部分關鍵體征(如不對稱的眼)從傳統的進化論角度是如此難以詮釋,以致于在歷史上常常被進化論批評者作為反駁達爾文“自然選擇學說”的強有利基石(見達爾文《物種的起源》第六版),因而在此背景下全面闡明鰈形目魚類起源及其獨特體軸形成機制具有獨特的學術價值。

該團隊通過近四年的研究,解析了10個比目魚及其近源物種的基因組,輔以實驗驗證,終于成功地揭示了鰈形目的鰈亞目和鰜亞目是在白堊紀晚期,通過二次獨立的進化事件由不同的鱸形目魚類祖先演變而來的進化歷史。進一步通過比較基因組的分析發現,鰈形目魚類基因組中許多與肌營養不良蛋白-糖蛋白復合體(Dystrophin-associated Glycoprotein Complex)和脂肪代謝相關的基因發生大量變異,在人類、魚類等脊椎動物中,肌營養不良蛋白-糖蛋白復合體基因的突變往往會造成其肌肉嚴重萎縮或肌纖維發育不良,而比目魚脂肪基因的變異也可能加快了其體內脂肪的氧化分解而減少了脂肪的積聚量,這可能很好地解釋了比目魚類為何擁有薄而扁平的體壁,也揭示了“Flatfish”(鰈形目魚類)為什么”flat”(扁平)的基因組奧秘。

圖2.比目魚中部分基因的變異及其在扁平體軸發育中的可能作用機制

同時該研究還發現,比目魚基因組中與體軸發育相關的RA(視黃酸)和WNT信號通路的部分基因也發生明顯的改變,在人類和斑馬魚等脊椎動物中,這些基因的突變往往會造成顱面組織及身體發育的不對稱,暗示其在比目魚不對稱體軸發育中的作用;同時通過進一步轉錄組學的研究發現,RA和WNT信號通路的一些核心基因還在比目魚類變態發育過程中發生了不對稱表達,該現象正好與比目魚類在變態過程中一側眼睛會逐步偏轉遷移到身體的另一側而最終展現出雙眼位于身體同側,同時其顱骨、肌肉厚度、皮膚色素等在變態過程中也逐步呈現出明顯的左右不對稱發育的表型相吻合。該結果進一步表明RA和WNT信號通路可能在比目魚不對稱體軸發育過程中扮演著重要角色。此外,研究還發現比目魚基因組中與鰭發育有關的基因(如Hoxd12abhlha9基因)發生了明顯的改變,這些基因的突變在其它魚類中會造成鰭形態發育的急劇變化(或造成鰭的擴展、延長或造成部分鰭的退化消失),比目魚基因組中這些基因的突變或許是其鰭形態發生明顯改變(背鰭、臀鰭擴展延長,胸鰭、腹鰭急劇縮短),能夠形成“鰭足”以全新的脊椎動物步伐在海底“行走”的重要原因。

圖3. 比目魚中部分基因的變異及其在不對稱體軸發育中的可能作用機制

該研究還發現,盡管鰈亞目和鰜亞目種類通過相似的基因(如肌營養不良蛋白-糖蛋白復合體、脂肪代謝相關基因)及信號通路(RA和WNT)來形成鰈形目的獨特體征。但鰜亞目顯然也有其獨特的基因組變異(如與鰈亞目相比,鰜亞目基因變異往往發生在同一信號通路的不同基因;或同一基因的不同位點),這不僅進一步佐證了比目魚的非單系起源,同時也很好解釋了鰈形目和鳒亞目種類何以在體軸的扁平和不對稱程度方面存在著明顯的差異(如在體軸扁平化和不對稱程度上鰈亞目種類都要比鳒亞目種類更高);但起源不同的鰈亞目和鳒亞目種類卻通過類似基因和信號通路的趨同進化而形成相似的體型為理解比目魚類獨特體軸形成機制這一古老的科學問題提供了不可多得的進化場景。通過該研究,研究人員不僅基本闡明了困擾人類多年的比目魚類起源及其獨特體軸形成機制等問題,同時也大大深化了人類對現今動物界中占主導的左右對稱體軸的形成、維持和變異機制的理解,也為揭示人類內緣性相關疾病如肌肉萎縮癥和顱面畸形等疾病的致病機理提供了參考。

浙江海洋大學呂振明教授是本文的第一作者,龔理副研究員、陳永久副教授和劉立芹副教授與西北工業大學的任彥棟博士、王忠凱和黎浩榕等為本文的共同第一作者。西北工業大學的李永鑫博士、中國科學院南海海洋研究所孔曉瑜研究員和西北工業大學王文教授為本文的共同通訊作者。中國科學院昆明動物研究所的毛炳宇研究員和中國科學院水生生物研究所何舜平研究員及其團隊成員也參與了本項研究。浙江海洋大學、西北工業大學、中國科學院南海海洋研究所、中國科學院昆明動物所、中國科學院水生生物研究所為本文的共同屬名單位,該研究依托海洋科學學科(浙江省一流學科)和海洋生物種質發掘利用國家地方聯合工程實驗室,得到了國家自然科學基金項目和遺傳資源與進化國家重點實驗室開放課題等項目的支持。科學網等媒體對本文進行了轉載和報道。

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