脊椎動(dòng)物從水生到陸生是脊椎動(dòng)物演化史上的一次飛躍，也是脊椎動(dòng)物演化中最重要的科學(xué)問(wèn)題之一。

北京時(shí)間2021年2月5日，國(guó)際著名學(xué)術(shù)刊物《細(xì)胞》（Cell）在線(xiàn)發(fā)表了華大主導(dǎo)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(xiàng)姊妹篇研究解析了原始輻鰭魚(yú)類(lèi)的塞內(nèi)加爾多鰭魚(yú)、匙吻鱘、弓鰭魚(yú)和鱷雀鱔，以及現(xiàn)生肉鰭魚(yú)類(lèi)中與四足動(dòng)物親緣關(guān)系最近的非洲肺魚(yú)共五個(gè)物種的基因組。兩篇論文交叉整合了基因組學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)、魚(yú)類(lèi)學(xué)、古生物學(xué)、計(jì)算生物學(xué)和分子生物學(xué)等學(xué)科，從不同角度和不同演化節(jié)點(diǎn)揭示了脊椎動(dòng)物水生到陸生的演化之謎。

Cell官網(wǎng)截圖

原始輻鰭魚(yú)類(lèi)基因組的解析發(fā)現(xiàn)登陸的遺傳基礎(chǔ)在硬骨魚(yú)類(lèi)祖先已經(jīng)出現(xiàn)

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

多鰭魚(yú)、鱘魚(yú)、弓鰭魚(yú)、雀鱔等原始輻鰭魚(yú)類(lèi)具備了一些與從水到陸地環(huán)境適應(yīng)性相關(guān)的特征，吸引著眾多科學(xué)家對(duì)它們進(jìn)行研究。在第一個(gè)研究中，深圳華大生命科學(xué)研究院生物多樣性基因組學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院武漢水生生物研究所、西北工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所、丹麥哥本哈根大學(xué)等單位聯(lián)合解析了高質(zhì)量染色體級(jí)別的多鰭魚(yú)基因組以及其他三種原始輻鰭魚(yú)的基因組。

研究發(fā)現(xiàn)，能夠增加骨骼運(yùn)動(dòng)靈活性的滑膜關(guān)節(jié)在早期魚(yú)類(lèi)中已經(jīng)存在。調(diào)控這些功能相關(guān)的遺傳基礎(chǔ)比我們之前預(yù)期的要更早起源，這些早期調(diào)控網(wǎng)絡(luò)隨演化歷程的逐步完善，為脊椎動(dòng)物登陸所需要的功能演化提供了重要遺傳基礎(chǔ)。

通過(guò)比較基因組學(xué)的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)在這些遠(yuǎn)古魚(yú)類(lèi)的嗅覺(jué)感受器中同時(shí)存在著兩種類(lèi)型的嗅覺(jué)受體，除了具有魚(yú)類(lèi)都擁有檢測(cè)水溶性分子的嗅覺(jué)受體之外，還具有能夠檢測(cè)空氣分子的嗅覺(jué)受體。這與它們空氣呼吸的能力相一致。

與此同時(shí)，研究人員通過(guò)對(duì)多個(gè)物種進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序(RNA-seq)，發(fā)現(xiàn)在遠(yuǎn)古魚(yú)類(lèi)中高表達(dá)的基因顯著富集在血管新生通路，這也解釋了在這些遠(yuǎn)古魚(yú)類(lèi)里的肺或者魚(yú)鰾表面為何密布血管，從而有助于氧氣在肺部的擴(kuò)散及運(yùn)輸。

另外一些肺特異性表達(dá)的基因在軟骨魚(yú)就已經(jīng)出現(xiàn)，這也暗示著“原肺”形成的分子基礎(chǔ)在魚(yú)類(lèi)登陸前就已經(jīng)建立。值得一提的是，利用多器官表達(dá)譜的聚類(lèi)和系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系分析，這一研究不僅證實(shí)了達(dá)爾文提出的肺和魚(yú)鰾是同源器官的假說(shuō)，同時(shí)證明了在魚(yú)類(lèi)的鰾是從脊椎動(dòng)物早期的肺演化來(lái)的。

早期四足類(lèi)祖先登陸器官演化假想

（插畫(huà)師：華大集團(tuán)公共傳播中心 曾銳）

此外，心肺系統(tǒng)協(xié)同演化對(duì)脊椎動(dòng)物登陸相當(dāng)重要。從魚(yú)類(lèi)的一心房一心室再到人的兩心房?jī)尚氖?，心臟結(jié)構(gòu)趨向于完善，而功能也變得更加復(fù)雜。研究人員找到了這一演化過(guò)程產(chǎn)生的功能創(chuàng)新相關(guān)遺傳證據(jù)，并且新發(fā)現(xiàn)的一個(gè)基因調(diào)控元件與人類(lèi)心臟疾病相關(guān)。

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

主要現(xiàn)生脊椎動(dòng)物類(lèi)群演化簡(jiǎn)圖

這項(xiàng)研究的通訊作者為張國(guó)捷教授（深圳華大生命科學(xué)研究院/中科院昆明動(dòng)物所/哥本哈根大學(xué)）、何舜平研究員（中科院水生所）、朱敏研究員（中科院古脊椎動(dòng)物與古人類(lèi)研究所）和王文教授（西北工業(yè)大學(xué)），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(xué)）、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(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院長(zhǎng)江水產(chǎn)研究所）。?

肺魚(yú)基因組解析揭示四足動(dòng)物登陸之謎

肺魚(yú)是現(xiàn)存最接近四足動(dòng)物的近親，并保留了從水到陸地過(guò)渡的祖先特征。作為魚(yú)類(lèi)一大分支，肺魚(yú)作為脊椎動(dòng)物水生到陸生的“橋梁”，其基因組信息記錄著脊椎動(dòng)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(xué)技術(shù)對(duì)這一關(guān)鍵演化過(guò)程的解析。

在西北工業(yè)大學(xué)、中科院水生所、中科院北京基因組所、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)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(xué)研究院等16家單位聯(lián)合完成的肺魚(yú)基因組研究中，研究人員發(fā)布了一個(gè)40Gb的非洲肺魚(yú)基因組的染色體級(jí)組裝成果，這是迄今為止報(bào)道的最大的基因組序列，是人類(lèi)基因組大?。?Gb）的10多倍。該基因組的發(fā)布完善了從魚(yú)類(lèi)到陸地四足動(dòng)物演化過(guò)程中關(guān)鍵的最后一環(huán)基因組序列。

該研究還發(fā)現(xiàn)，脊椎動(dòng)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(jué)的分子基礎(chǔ)在硬骨魚(yú)類(lèi)共同祖先中已經(jīng)出現(xiàn)，而真骨魚(yú)則丟失了這一特性，屬于更為特化的類(lèi)群。隨后，肉鰭魚(yú)的祖先中出現(xiàn)了更多呼吸相關(guān)基因和功能元件，使得它們的空氣呼吸能力進(jìn)一步加強(qiáng)。最終，四足動(dòng)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(yùn)動(dòng)相關(guān)的功能也呈現(xiàn)漸進(jìn)式創(chuàng)新的特點(diǎn)：四足動(dòng)物的肱骨與原始輻鰭魚(yú)的后基鰭骨為同源器官，橈骨則可能從肺魚(yú)和四足動(dòng)物祖先開(kāi)始起源，五指則從四足動(dòng)物開(kāi)始起源。

非洲肺魚(yú)基因組為理解脊椎動(dòng)物水生陸生轉(zhuǎn)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(xué)、中科院水生所和青島華大基因研究院同時(shí)還參與發(fā)起了“萬(wàn)種魚(yú)基因組計(jì)劃”（Fish10K）的國(guó)際合作項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在繪制萬(wàn)種代表性魚(yú)類(lèi)基因組圖譜，涵蓋世界各地魚(yú)類(lèi)的所有目和代表性科，建立一個(gè)大規(guī)模，高質(zhì)量的魚(yú)類(lèi)基因組數(shù)據(jù)庫(kù)，聚焦魚(yú)類(lèi)基因組研究。目前該項(xiàng)目已經(jīng)完成第一階段500種魚(yú)類(lèi)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(cè)序平臺(tái)DNBSEQ進(jìn)行Hi-C和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，完成了魚(yú)類(lèi)的染色體組裝和基因表達(dá)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