脊椎動物從水生到陸生是脊椎動物演化史上的一次飛躍，也是脊椎動物演化中最重要的科學問題之一。

北京時間2021年2月5日，國際著名學術刊物《細胞》（Cell）在線發(fā)表了華大主導及參與的兩篇研究論文?“Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes”和“African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition”。兩項姊妹篇研究解析了原始輻鰭魚類的塞內加爾多鰭魚、匙吻鱘、弓鰭魚和鱷雀鱔，以及現(xiàn)生肉鰭魚類中與四足動物親緣關系最近的非洲肺魚共五個物種的基因組。兩篇論文交叉整合了基因組學、進化生物學、魚類學、古生物學、計算生物學和分子生物學等學科，從不同角度和不同演化節(jié)點揭示了脊椎動物水生到陸生的演化之謎。

Cell官網截圖

原始輻鰭魚類基因組的解析發(fā)現(xiàn)登陸的遺傳基礎在硬骨魚類祖先已經出現(xiàn)

在脊椎動物從水生到陸生的演化過程中有許多的障礙需要克服，其中兩個重要問題是如何在缺少水體浮力的情況下支撐身體進行運動，以及如何呼吸空氣中的氧。

多鰭魚、鱘魚、弓鰭魚、雀鱔等原始輻鰭魚類具備了一些與從水到陸地環(huán)境適應性相關的特征，吸引著眾多科學家對它們進行研究。在第一個研究中，深圳華大生命科學研究院生物多樣性基因組學研究團隊與中國科學院武漢水生生物研究所、西北工業(yè)大學、中國科學院古脊椎動物與古人類研究所、丹麥哥本哈根大學等單位聯(lián)合解析了高質量染色體級別的多鰭魚基因組以及其他三種原始輻鰭魚的基因組。

研究發(fā)現(xiàn)，能夠增加骨骼運動靈活性的滑膜關節(jié)在早期魚類中已經存在。調控這些功能相關的遺傳基礎比我們之前預期的要更早起源，這些早期調控網絡隨演化歷程的逐步完善，為脊椎動物登陸所需要的功能演化提供了重要遺傳基礎。

通過比較基因組學的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)在這些遠古魚類的嗅覺感受器中同時存在著兩種類型的嗅覺受體，除了具有魚類都擁有檢測水溶性分子的嗅覺受體之外，還具有能夠檢測空氣分子的嗅覺受體。這與它們空氣呼吸的能力相一致。

與此同時，研究人員通過對多個物種進行轉錄組測序(RNA-seq)，發(fā)現(xiàn)在遠古魚類中高表達的基因顯著富集在血管新生通路，這也解釋了在這些遠古魚類里的肺或者魚鰾表面為何密布血管，從而有助于氧氣在肺部的擴散及運輸。

另外一些肺特異性表達的基因在軟骨魚就已經出現(xiàn)，這也暗示著“原肺”形成的分子基礎在魚類登陸前就已經建立。值得一提的是，利用多器官表達譜的聚類和系統(tǒng)發(fā)生關系分析，這一研究不僅證實了達爾文提出的肺和魚鰾是同源器官的假說，同時證明了在魚類的鰾是從脊椎動物早期的肺演化來的。

早期四足類祖先登陸器官演化假想

（插畫師：華大集團公共傳播中心 曾銳）

此外，心肺系統(tǒng)協(xié)同演化對脊椎動物登陸相當重要。從魚類的一心房一心室再到人的兩心房兩心室，心臟結構趨向于完善，而功能也變得更加復雜。研究人員找到了這一演化過程產生的功能創(chuàng)新相關遺傳證據，并且新發(fā)現(xiàn)的一個基因調控元件與人類心臟疾病相關。

“基于物種演化過程的比較分析為揭示生物復雜性狀形成機制提供了重要手段，為生物醫(yī)學研究提供了有利工具。”該研究的主要通訊作者張國捷教授總結說，“這一研究不僅揭示了陸生脊椎動物起源的生理及分子機制，同時在分子水平揭示了許多脊椎動物重要器官的同源關系。此外我們的研究還說明一些祖先就已存在的基因調控機制為演化過程新性狀的出現(xiàn)提供了遺傳基礎，為后續(xù)的跨越式演化提供了重要的功能基礎?！?/p>

主要現(xiàn)生脊椎動物類群演化簡圖

這項研究的通訊作者為張國捷教授（深圳華大生命科學研究院/中科院昆明動物所/哥本哈根大學）、何舜平研究員（中科院水生所）、朱敏研究員（中科院古脊椎動物與古人類研究所）和王文教授（西北工業(yè)大學），第一作者為畢旭鵬（中科院水生所/深圳華大基因研究院）、王堃（西北工業(yè)大學）、楊連東（中科院水生所）、潘海林（深圳華大基因研究院）、姜海峰（中科院水生所）和危起偉（中國水產科學研究院長江水產研究所）。?

肺魚基因組解析揭示四足動物登陸之謎

肺魚是現(xiàn)存最接近四足動物的近親，并保留了從水到陸地過渡的祖先特征。作為魚類一大分支，肺魚作為脊椎動物水生到陸生的“橋梁”，其基因組信息記錄著脊椎動物演化史。然而它們巨大的基因組阻礙了研究人員利用組學技術對這一關鍵演化過程的解析。

在西北工業(yè)大學、中科院水生所、中科院北京基因組所、華南農業(yè)大學、中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所、青島華大基因研究院、深圳華大生命科學研究院等16家單位聯(lián)合完成的肺魚基因組研究中，研究人員發(fā)布了一個40Gb的非洲肺魚基因組的染色體級組裝成果，這是迄今為止報道的最大的基因組序列，是人類基因組大?。?Gb）的10多倍。該基因組的發(fā)布完善了從魚類到陸地四足動物演化過程中關鍵的最后一環(huán)基因組序列。

該研究還發(fā)現(xiàn)，脊椎動物從水生到陸生的演化呈現(xiàn)了三步式演化的特征。以空氣呼吸為例，空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已經出現(xiàn)，而真骨魚則丟失了這一特性，屬于更為特化的類群。隨后，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。最終，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。與四肢運動相關的功能也呈現(xiàn)漸進式創(chuàng)新的特點：四足動物的肱骨與原始輻鰭魚的后基鰭骨為同源器官，橈骨則可能從肺魚和四足動物祖先開始起源，五指則從四足動物開始起源。

非洲肺魚基因組為理解脊椎動物水生陸生轉變提供了重要橋梁

該成果的主要參與單位西北工業(yè)大學、中科院水生所和青島華大基因研究院同時還參與發(fā)起了“萬種魚基因組計劃”（Fish10K）的國際合作項目。該項目旨在繪制萬種代表性魚類基因組圖譜，涵蓋世界各地魚類的所有目和代表性科，建立一個大規(guī)模，高質量的魚類基因組數(shù)據庫，聚焦魚類基因組研究。目前該項目已經完成第一階段500種魚類基因組組裝和收集工作^[1]。

本次兩篇Cell研究成果，均利用華大自主研發(fā)的測序平臺DNBSEQ進行Hi-C和轉錄組測序，完成了魚類的染色體組裝和基因表達譜分析。

參考文章

1. Fan G, Song Y, Yang L, et al. Initial data release and announcement of the 10,000 Fish Genomes Project (Fish10K)[J]. GigaScience, 2020, 9(8): giaa080.

論文鏈接

• Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00089-1

• African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00090-8

編輯：李麗