人類在誕生前，經曆過四足動物的演化階段，這一階段對從(cong) 水生過渡到陸生發揮著重要作用。而目前已知還活著的、與(yu) 四足動物最近的魚類近親(qin) 便是肺魚。

由西北工業(ye) 大學、華南農(nong) 業(ye) 大學、中國科學院武漢水生生物研究所和中國農(nong) 業(ye) 科學院深圳農(nong) 業(ye) 基因組研究所、華大基因研究院等單位聯合解析了關(guan) 於(yu) 非洲肺魚的首個(ge) 完整且高質量的超大基因組。相關(guan) 研究成果2月5日在線發表於(yu) 《細胞》。

異常龐大的基因組和極高質量的組裝

“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(men) 都未能解析成功，使脊椎動物從(cong) 水生到陸生的研究缺失了一個(ge) 關(guan) 鍵環節。”論文通訊作者之一、西北工業(ye) 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，高達400多億(yi) 對堿基。因此，肺魚基因組解析的工作量十分龐大，稱得上是一項裏程碑式的科學研究工程。

“要想解析這樣龐大的基因組，必須自主開發相應的算法和軟件。”王文表示，該研究項目催生了兩(liang) 個(ge) 三代測序組裝軟件NextDenovo和wtdbg.2.0，它們(men) 也成為(wei) 了基因組學研究領域的通用軟件。

“如此大的數據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。”王文補充道，非洲肺魚基因組不僅(jin) 是目前解析的最大基因組，也是首個(ge) 完整且高質量的超大基因組，染色體(ti) 掛載率達到99%以上。“這樣一來，基因組解析技術得到了前所未有的躍升，今後基因組領域的相關(guan) 研究需要達到的標準也會(hui) 有所提高。”

肺魚超大基因組之謎

非洲肺魚基因組為(wei) 何如此龐大？

這在很大程度上歸因於(yu) 轉座子。在非洲肺魚演化過程中，LTR類轉座子的大量擴增，經過數億(yi) 年持續插入原有基因序列，其基因組才變得如此龐大。

轉座子又稱“跳躍基因”，指的是一段很容易複製、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(wei) 基因組演化提供可塑性。”

而非洲肺魚之所以有大量跳躍基因仍保持著穩定的演化過程，是因為(wei) 其同時演化出了抑製轉座子在生殖係細胞表達的能力，從(cong) 而大大降低了其有害遺傳(chuan) 變異的可能性。

此外，肺魚基因組雖然是人類10多倍，但基因數目卻與(yu) 人類差不多，因此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(yu) 短基因和其他物種的同源基因近似，這就體(ti) 現出肺魚演化出了高效轉錄這些超長基因的機製。

與(yu) 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製。

“物種在進化過程中總會(hui) 找到變異與(yu) 穩定之間的平衡機製，否則可能早就滅絕了。”王文坦言。

“三步式”演化特征

解析基因組隻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，研究人員發現，非洲肺魚在肺、四肢、腦等結構上都出現了與(yu) 陸生適應性狀相關(guan) 的遺傳(chuan) 創新。

王文提到，從(cong) 原始輻鰭魚類到肺魚再到四足動物，與(yu) 呼吸相關(guan) 基因經過了三步演化，這也對應了脊椎動物從(cong) 水生到陸生呈現的三步式演化特征。

“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；第二步，肉鰭魚的祖先中出現了更多呼吸相關(guan) 基因和功能元件，使得它們(men) 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(cong) 而具備了完備的空氣呼吸能力，成功擺脫水的桎梏。”

非洲肺魚基因組為(wei) 理解脊椎動物水生陸生轉變提供了重要橋梁。（課題組提供）

與(yu) 四肢運動相關(guan) 的功能方麵，演化也呈現漸進式創新的特點，四足動物的肱骨與(yu) 基部輻鰭魚的後鰭基骨為(wei) 同源器官，橈骨則可能從(cong) 肺魚和四足動物祖先開始起源，五指則從(cong) 四足動物開始起源。

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

與(yu) 此相吻合的是，大腦的杏仁核也是從(cong) 肺魚和四足動物祖先開始具備相對成熟的多分區結構。研究人員推測，肺魚和四足動物的祖先在對焦慮能力的處理方麵可能具有更強的能力，以適應空氣呼吸和陸地生活完全不同的環境幹擾。

“未來，我們(men) 將進一步深入研究生物演化過程中遺傳(chuan) 創新的一些新功能元件，在這樣的基礎研究之上，可能會(hui) 結合仿生學和再生醫學等領域增加一些應用層麵的研究。”王文說道。



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