中国科学家的成果登上Nature封面:破译海马基因组
2016/12/16
中国科学院南海海洋研究所研究员林强课题组主导,德国、新加坡、华大基因等实验室共同完成的研究论文The seahorse genome and the evolution of its specialized morphology(《海马基因组及其特异体型进化机制》)作为封面故事和长论文(Article)发表在2016年12月15日的Nature上。


中国科学院南海海洋研究所研究员林强课题组主导,德国、新加坡、华大基因等实验室共同完成的研究论文The seahorse genome and the evolution of its specialized morphology(《海马基因组及其特异体型进化机制》)作为封面故事和长论文(Article)发表在2016年12月15日的Nature上。

海马隶属于脊索动物门的海龙科,是具有特殊体型的鱼类。海马既没有尾巴也没有骨盆鳍,它垂直游动,骨板加强了它的整个身体;它也没有牙齿,这在鱼类中非常罕见。另一个特殊的点在于其雄性育儿及性别角色逆转,即雌性海马将卵子放入雄性海马的育儿袋中,雄性海马通过育儿袋孵化胚胎直到分娩。

林强研究团队对虎尾海马进行了基因组测序和分析,得知海马是目前已获得全基因组鱼类中进化速率最快的物种。他们获得了和生物多样性相关的新的分子进化的结果:基因的丢失和重复,以及基因组中调控单元的丢失都有助于海马的快速进化。


图1:海马的特异体型及其进化速率

基因丢失与失去牙齿和骨盆鳍

在基因组测序时有待回答的问题是多样性是怎样出现的以及遗传基础是什么,它们可以很好地回答为什么海马在很短的时间进化出那么多独特的功能。研究人员也是运用这种方法确定海马牙齿缺失的遗传基础:在海马中失去了几个在很多种鱼包括人都存在和牙齿发育有关的基因。海马不再需要牙齿是由于它消耗食物的特殊方式,它通过巨大的负压吸入食物而不用咀嚼,因此它产生了长长的鼻子。这也同样适用于嗅觉基因的丢失:海马用视觉捕食,它们有很好的视野,眼睛可以彼此独立地移动。嗅觉似乎只扮演一个次要的角色。

值得注意的是骨盆鳍的丢失,在进化中它们和人类的腿有同样的起源。tbx4,这个重要的基因负责这一特性,在几乎所有的脊椎动物中都有发现,但在海马基因组中缺失。为了验证该基因的功能,除了基因组分析之外此研究还做了功能的分析。为此,用CRISPER-cas的方法在斑马鱼中将相应的基因失活。结果,斑马鱼也失去了它们的骨盆鳍,证明了tbx4在骨盆鳍正常发育中的重要性。


图2 CRISPR/Cas9tbx4-/-斑马鱼敲除实验揭示tbx4基因丢失导致海马腹鳍缺失

基因复制与雄性育儿

除了基因丢失,在海马的进化过程中也检测到了基因复制。当一个基因复制时,该副本可以实现一个全新的功能。在海马中,这可能是一部分新产生的基因让雄性怀孕的可能。这些基因可能是调节怀孕的,例如通过协调在雄性育儿袋内胚胎的孵化,一旦胚胎孵化,额外的基因被激活。研究人员推测这些基因有助于小海马离开育儿袋。

调控原件消失改变骨架

根据这项发表在Nature上的文章,进化不仅通过改变基因的主要功能起作用,也影响基因开关的调节原件。调控元件是控制基因功能的DNA片段。它们中的一些在进化过程中几乎没有变化,因为它们有重要的调节功能。但有几个不发生变化的,在鱼的、包括人的骨架发育中起重要作用的原件在海马中消失。这可能是为什么海马的骨架大大改变的原因,它的身体由骨板保护着来防止掠食动物,其缠绕卷曲的尾巴可以让伪装起来或抓住海草或珊瑚不动。基因组序列显示,相应调控序列的损失导致这种骨化。

由于其特殊的形态,海马极好地展示了基因改变可以导致性状区分上的进化变化。这篇文章率先完成了海马的全基因组研究,揭示了海马是一种快速进化的物种,并从基因层面探讨了育儿袋形成和怀孕过程,揭开了海马雄性育儿之谜,让大家对海马这样一种奇异、美丽的生物的遗传基础进一步了解。

参考资料

The galloping evolution in seahorses

The seahorse genome and the evolution of its specialized morphology

南海海洋研究所官网:Nature封面论文揭示海马基因组特征及其环境适应进化机制

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  • The seahorse genome and the evolution of its specialized morphology

    Seahorses have a specialized morphology that includes a toothless tubular mouth, a body covered with bony plates, a male brood pouch, and the absence of caudal and pelvic fins. Here we report the sequencing and de novo assembly of the genome of the tiger tail seahorse, Hippocampus comes. Comparative genomic analysis identifies higher protein and nucleotide evolutionary rates in H. comes compared with other teleost fish genomes. We identified an astacin metalloprotease gene family that has undergone expansion and is highly expressed in the male brood pouch. We also find that the H. comes genome lacks enamel matrix protein-coding proline/glutamine-rich secretory calcium-binding phosphoprotein genes, which might have led to the loss of mineralized teeth. tbx4, a regulator of hindlimb development, is also not found in H. comes genome. Knockout of tbx4 in zebrafish showed a ‘pelvic fin-loss’ phenotype similar to that of seahorses.

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