手繪非洲肺魚圖。王文供圖

■本報實習生 張思璇 記者 胡珉琦

在生物從水生過渡到陸生的過程中，四足動物的演化階段發(fā)揮著重要作用。而目前已知還活著的、與四足動物最近的魚類近親便是肺魚。

西北工業(yè)大學、華南農業(yè)大學、中科院武漢水生生物研究所和中國農科院深圳農業(yè)基因組研究所、華大基因研究院等單位聯(lián)合解析了非洲肺魚首個完整且高質量的超大基因組。相關研究成果2月5日在線發(fā)表于《細胞》。

異常龐大且極高質量組裝的基因組

“肺魚擁有已知脊椎動物中最龐大的基因組，長期以來科學家們都未能對其解析成功，這使得脊椎動物從水生到陸生的研究缺失了一個關鍵環(huán)節(jié)?！闭撐耐ㄓ嵶髡咧?、西北工業(yè)大學教授王文告訴《中國科學報》。

非洲肺魚基因組也許在各種肺魚中是最小的，但其基因組大小至少是人類的13倍，有400多億對堿基。因此，肺魚基因組解析的工作量十分龐大，稱得上是一項里程碑式的科學研究工程。

“要想解析這樣龐大的基因組，必須自主開發(fā)相應算法和軟件?！蓖跷谋硎?，該研究項目催生了兩個三代測序組裝軟件NextDenovo和wtdbg.2.0，它們也成為了基因組學研究領域的通用軟件。

“如此大的數(shù)據(jù)處理和比較還需要很強的計算生物學資源，以及敏銳細致的操控能力?！蓖跷难a充道，非洲肺魚基因組不僅是目前解析的最大基因組，也是首個完整且高質量的超大基因組，染色體掛載率達99%以上。“這樣一來，基因組解析技術得到了前所未有的躍升，今后基因組領域的相關研究需要達到的標準也會有所提高?！?/p>

肺魚超大基因組之謎

非洲肺魚基因組為何如此龐大？

這在很大程度上歸因于轉座子。在非洲肺魚演化過程中，LTR類轉座子大量擴增，經過數(shù)億年持續(xù)插入原有基因序列，其基因組才變得如此龐大。

轉座子又稱“跳躍基因”，指的是一段很容易復制、插入，且對基因起調控作用的DNA序列。

“通常情況下，轉座子特別活躍，能‘跳來跳去’。”王文解釋，“它是基因組變異的強大驅動力，所以也能為基因組演化提供可塑性?！?/p>

而非洲肺魚之所以有大量跳躍基因仍保持著穩(wěn)定的演化過程，是因為其同時演化出了抑制轉座子在生殖系細胞表達的能力，從而大大降低了有害遺傳變異產生的可能性。

此外，肺魚基因組雖然是人類10多倍，但其基因數(shù)目卻與人類差不多，因為肺魚擁有大量的超長基因。

神奇的是，肺魚這些超長基因表達水平與短基因和其他物種的同源基因近似，表明肺魚演化出了高效轉錄這些超長基因的機制。

與此同時，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。

“物種在進化過程中總會找到變異與穩(wěn)定之間的平衡機制，否則可能早就滅絕了?！蓖跷恼f。

“三步式”演化特征

解析基因組只是認知脊椎動物水生到陸生演化這一重大科學問題的第一步。結合多學科交叉思路和手段的深入分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，非洲肺魚在肺、四肢、腦等結構上都出現(xiàn)了與陸生適應性狀相關的遺傳創(chuàng)新。

王文提到，從原始輻鰭魚類到肺魚再到四足動物的演化過程中，與呼吸相關的基因經過了三步演化，這也對應了脊椎動物從水生到陸生呈現(xiàn)的三步式演化特征。

“第一步，氣呼吸能力和空氣嗅覺的分子基礎在硬骨魚類共同祖先中出現(xiàn)；第二步，肉鰭魚的祖先中出現(xiàn)了更多呼吸相關基因和功能元件，使得它們的空氣呼吸能力進一步加強；第三步，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?！?/p>

與四肢運動相關的功能方面，演化也呈現(xiàn)漸進式創(chuàng)新的特點，四足動物的肱骨與基部輻鰭魚的后鰭基骨為同源器官，橈骨可能起源于肺魚和四足動物祖先，五指則起源于四足動物。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，和抗焦慮密切相關的蛋白神經肽S及其受體在肺魚和四足動物的祖先中共同出現(xiàn)。

與此相吻合的是，大腦的杏仁核也是從肺魚和四足動物祖先開始具備相對成熟的多分區(qū)結構。研究人員推測，肺魚和四足動物的祖先在焦慮處理能力方面可能更強，以適應空氣呼吸和陸地生活等完全不同的環(huán)境干擾。

“未來，我們將進一步深入研究生物演化過程中遺傳創(chuàng)新的一些新功能元件，在此基礎上，結合仿生學和再生醫(yī)學等領域的內容增加一些應用層面的研究?！蓖跷恼f。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.01.047