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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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基因告訴你 畫蛇“添足”不是沒道理
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基因告訴你 畫蛇“添足”不是沒道理 成語畫蛇添足，常用于形容做事多此一舉，因為蛇并無腳。 但爬行動物領(lǐng)域的研究學(xué)者認(rèn)為，蛇的祖先是蜥蜴，在遠(yuǎn)古時期，蛇也是有腳的，只是在演化過程中失去了。近日，這一說法得到了進(jìn)一步證實。 經(jīng)過長達(dá)五年的研究，基于大規(guī)模多組學(xué)技術(shù)與基因編輯等研究手段，中國科學(xué)院成都生物研究所（以下簡稱成都生物所）研究員李家堂及其團(tuán)隊全面揭示了蛇類起源及特有表型演化的遺傳機(jī)制。相關(guān)論文于6月19日晚在《細(xì)胞》正式上線，后續(xù)將于7月6日作為封面文章發(fā)表。 此次研究中，李家堂團(tuán)隊畫了一張“家譜”，即基于染色體水平蛇類基因組數(shù)據(jù)集構(gòu)建了迄今最有力的蛇類系統(tǒng)發(fā)育框架，進(jìn)一步支持了蛇類起源于約1.18億年前早白堊紀(jì)，以及蛇類是由蜥蜴演化而來的假說。 “迄今最有力”，意為研究的物種覆蓋更廣，收集的數(shù)據(jù)更多，基因測序更全也更可信。 同時，他們找到了一些“罪魁禍?zhǔn)住�，即影響或�(qū)е律咚闹笔�、身體延長、器官不對稱的基因或調(diào)控元件，揭示了背后重要的遺傳機(jī)制。 蛇類特有性狀的演化遺傳機(jī)制。受訪者供圖 樣本選取 以“最少”覆蓋“更多” 在地球上，生活著四千多種各式各樣的蛇。這些蛇何時“出世”的，親緣關(guān)系如何，祖先是誰？爬行動物領(lǐng)域內(nèi)的專家一直在試著畫出這樣的蛇族“族譜”，即系統(tǒng)發(fā)育樹狀圖。 “基于基因組學(xué)，之前有研究者就蛇類某個單一的屬或者科，做了系統(tǒng)發(fā)育框架。”但李家堂想要畫一張覆蓋更廣，更具全球視角的“圖”。2015年，他開始謀劃，并于2018年正式啟動。 考慮到全球有四千多種蛇，共35個科，為提高研究效率和可操作性，樣本選取很重要。而且每個科下所屬的數(shù)量并不均衡，有些科內(nèi)只有少量物種，有的科則涵蓋了八百多個物種。 “我們要以‘最少’的樣本覆蓋‘更多’的科，選取的物種樣本不在于多，能剛好代表和盡量覆蓋所有科的特征就行，有普適的意義�！闭撐囊蛔�、成都生物所助理研究員任金龍表示，相較于其他科的物種，同一個科內(nèi)的物種之間，會有更近的親緣關(guān)系，也更相似。 物種分類有“綱目科屬種”，為何以“科”為單位進(jìn)行樣本選��？任金龍表示，這樣操作會更“現(xiàn)實”�！袄缫浴畬佟癁閱挝�，蛇類有700多個屬，類群太多�！� 最終，研究團(tuán)隊選取了12個不同科的蛇進(jìn)行基因組測序，采集的樣本量，能夠覆蓋代表84%現(xiàn)生蛇類類群的科級階元�；蚪M測序?qū)颖疽蟾�，為了獲取新鮮的樣本，研究期間團(tuán)隊每年都會花上2到3個月，外出科考，足跡遍布華南、華北和西南。有的行至高原，找到了溫泉蛇一屬三種，有的步入新疆沙漠，帶回了東方沙蟒的珍貴樣本。 要是涉及到國外類群，團(tuán)隊就通過國際合作渠道，獲取相關(guān)樣本進(jìn)行測序，或者直接共享數(shù)據(jù)。 選擇哪一部分身體組織進(jìn)行基因提取也有講究�！吧叩捏w型比較小，組織不太容易保存，而且有的組織提取出的DNA質(zhì)量會差�！闭撐囊蛔鳌⒊啥忌锼┦可黹L軍介紹，從蛇的肝臟、肌肉這樣的組織里提取，效果會更好。 值得一提的是，數(shù)據(jù)采集期間，除了選取蛇類近緣的內(nèi)群樣本，團(tuán)隊也收集了可能會有近緣關(guān)系的“外群”物種樣本，例如科莫多巨蜥、揚(yáng)子鱷等，看是否能通過基因組學(xué)手段印證猜想。 畫張“家譜” 推測蛇類起源于1.18億年前早白堊紀(jì) 樣本采集好后，通過多種高通量測序技術(shù)，團(tuán)隊從頭組裝了代表了12個不同蛇科的14個高質(zhì)量參考基因組，其中有12個為染色體水平，說明這次研究數(shù)據(jù)精細(xì)到染色體的層面。 “而且我們測定的是全基因組數(shù)據(jù)，獲取了更多的遺傳信息，來印證和支持我們的假說。以前類似的研究都只是測定一個物種的幾個基因片段，支持率并不高�！崩罴姨猛嘎�，其他研究團(tuán)隊基于一個基因片段得到的數(shù)據(jù)量大概只有一兩千個bp，而這次研究中，基于全基因組比對獲取了接近51 Mb的數(shù)據(jù)用于構(gòu)建基因組級別的系統(tǒng)發(fā)育樹。 基于對數(shù)據(jù)的研究，團(tuán)隊構(gòu)建了一個蛇類“家譜”樹狀圖。其描述了不同物種或者類群的親緣或進(jìn)化關(guān)系，以及大致出現(xiàn)順序。其中，追溯到同一分支點(diǎn)的路徑越短，說明類群或物種間的親緣關(guān)系越近。 要想確定物種出現(xiàn)的大致時間，一般會用到化石校正點(diǎn)的方法。 “例如我們要推測游蛇科出現(xiàn)的時間，我們先要找到迄今為止發(fā)現(xiàn)最早的游蛇類化石，至于化石的年代可用碳14斷代法測定。”任金龍表示，類群出現(xiàn)的時間絕不會晚于化石形成的時間�！八晕覀円源俗魍茢啵χ皹�(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)生樹時間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行校正�！� 校正完成后，蛇類系統(tǒng)發(fā)育框架基本搭建。其橫向標(biāo)明的是時間，縱向是系統(tǒng)發(fā)生樹。通過這個系統(tǒng)框架可見，蛇類起源于1.18億年前早白堊紀(jì)，與最近緣的類群，即科摩多巨蜥與帝王蛇蜥的最近共同祖先是姐妹枝，提示了蛇類的祖先可能是某種蜥蜴。 蛇類最先分化出的類群為盲蛇（盲蛇科和細(xì)盲蛇科），而且在白堊紀(jì)-早第三紀(jì)分界點(diǎn)（距今6500萬年前），樹狀圖顯示分化的點(diǎn)多且分支變密集了。“當(dāng)時正值恐龍大滅絕，提供了大量的生態(tài)位，讓蛇類有了快速輻射式的增長�！比谓瘕堉赋�。 蛇類系統(tǒng)發(fā)育框架。受訪者供圖 基因手段 揭示特殊表型的演化機(jī)制 因為環(huán)境的變化，蛇的祖先開始了穴居生活。為了更好適應(yīng)，阻礙行動的四肢被“淘汰”。在后續(xù)的演化中，因視力所限，部分蛇發(fā)展出了其他定位“獵物”的本領(lǐng)，例如感知紅外線。有的蛇，為了活命，還要“習(xí)慣”吃螞蟻或者螞蟻卵。 慢慢地，蛇的分布越來越廣，除了南極洲以外的陸地、海洋、森林、高原和荒漠，都有它的蹤跡。“我們想從基因的角度，去解讀他們是如何適應(yīng)這些復(fù)雜環(huán)境的。”李家堂表示。 根據(jù)比較基因組學(xué)原理，脊椎動物中，蛇類和其他類別動物有很多發(fā)揮相同功能的“同源”基因，但是存在細(xì)微差別。而這種差別可能體現(xiàn)在DNA層面的堿基序列或者氨基酸序列的不同或改變，從而導(dǎo)致了不同類群在同一性狀上的區(qū)別。 但任金龍指出，一個性狀可能由極多的基因決定，而且性狀的改變是由不同通路調(diào)節(jié)下的復(fù)雜途徑所實現(xiàn)的。“所以有時還要結(jié)合其他遺傳信息進(jìn)行判斷�！� 他舉例，此次研究中，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，蛇的PTCH1基因有可能影響四肢發(fā)育�！斑@個基因在人類、蛇類、小鼠中都有，但是發(fā)揮的‘效用’不大相同，其中蛇類的PTCH1基因蛋白特異性缺失了三個氨基酸殘基�！� 為了印證猜想，就要進(jìn)行功能實驗。團(tuán)隊利用基因編輯小鼠，讓蛇類PTCH1基因序列中的“缺陷”在小鼠中實現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)小鼠的四肢，尤其是指骨方面有明顯的縮短�；诖丝梢耘袛�，蛇類PTCH1氨基酸中片段的缺失很可能影響四肢發(fā)育。 同樣按照上述研究方法，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，四肢丟失后，蛇類的體節(jié)數(shù)增加，且身體被拉長，正是因為控制脊椎前端發(fā)育和后端發(fā)育的重要基因受到強(qiáng)烈正選擇。 此外，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)蛇類丟失了控制器官對稱發(fā)育的DNAH11和FXJ1B基因。“可能就是導(dǎo)致其左右肺不對稱，只有一側(cè)右肺的原因，因為要去適應(yīng)身體的延長。”李家堂表示。 蛇有得天獨(dú)厚的感熱器官“頰窩”，里面有一厚約10 μm、布滿神經(jīng)末梢的薄膜，對紅外光特別敏感，能測出小至0.002℃的溫度變化，幫助蛇判別獵物的位置。圍繞這一特性，研究探討了紅外感應(yīng)蛇類演化遺傳機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了與熱響應(yīng)相關(guān)的PMP22基因，以及與三叉神經(jīng)發(fā)育相關(guān)的NFIB基因的非編碼調(diào)控元件在部分蛇類中趨同演化，成為這類蛇感知紅外光譜的重要遺傳驅(qū)動力。 未來方向 為抗蛇毒衍生藥物的研發(fā)提供支撐 回溯這五年的研究歷程，論文通訊作者李家堂坦言，這項科研工作不在于難，而在于“堅持”，“我們有扎實的蛇類研究基礎(chǔ)，并受益于前輩積累的豐富資料，利用多學(xué)科交叉研究手段，從更廣泛、多維度的視角，對蛇類的起源和系統(tǒng)發(fā)育，特殊性狀的遺傳機(jī)制進(jìn)行研究�！� 他指出，蛇處于脊椎動物演化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，因具有高度特化的重要表型如四肢缺失、脊柱延長等，被視為脊椎動物演化史上一獨(dú)特的類群，是研究動物復(fù)雜性狀形成機(jī)制的理想物種。 此次研究率先開展了爬行動物大規(guī)模組學(xué)研究，研究結(jié)果可加深對蛇類的起源及其復(fù)雜性狀形成機(jī)制的理解，推動了爬行動物乃至脊椎動物演化發(fā)育生物學(xué)的發(fā)展。 從醫(yī)學(xué)角度來講，研究揭示的遺傳信息將為動物遺傳育種及人類復(fù)雜疾病的研究提供重要啟示。例如可以通過深入研究揭示影響蛇肺不對稱的遺傳機(jī)制，從而幫助解析人類相關(guān)疾病的成因，以探索治療辦法。 此外，研究蛇類紅外感應(yīng)這一特性，還有助于開發(fā)設(shè)計仿生蛇類紅外探測原理的產(chǎn)品，運(yùn)用于實際生活。 采訪中，李家堂透露，團(tuán)隊將推動從基礎(chǔ)科學(xué)到應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，更好地服務(wù)國家重大戰(zhàn)略需求�！熬劢归_發(fā)玉米蛇為模式動物，并開展演化發(fā)育生物學(xué)研究。同時，根據(jù)這次研究的思路和方法，開展蛇毒等重要遺傳資源的挖掘和運(yùn)用，為抗蛇毒血清及蛇毒衍生藥物的研發(fā)提供科學(xué)支撐�！� 相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.05.030 蛇類四肢缺失、身體延長、內(nèi)臟器官不對稱發(fā)育等重要遺傳機(jī)制。受訪者供圖 |
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