澳门·永利集团(3044-VIP认证)网站-Best Platform

近日，来自美国的科研学者在国际著名期刊Nature Genetics上在线发表了题为“The bowfin genome illuminates the developmental evolution of ray-finned fishes”的研究论文，该研究构建了高质量的弓鳍鱼基因组，重塑了新鳍亚纲的分类地位；同时结合ATAC-seq和RNA-seq技术对弓鳍鱼的免疫、鳞片、呼吸和鳍骨骼进行了进化研究，从而为原始辐鳍鱼乃至脊椎动物的进化研究提供了新见解。

图1  文章发表信息

在新鳍亚纲中，弓鳍鱼（bowfin）、雀鳝（gar）以及硬骨鱼间的分类关系长期以来一直是有争议的，目前主要有两种假说。一种是将弓鳍鱼和鳄雀鳝放到一起，共同归属为全骨总目（Holostei）；另一种是基于形态相似性及核型关系将弓鳍鱼和硬骨鱼放到一起，共同归属为Halecostomi。而构建高质量的弓鳍鱼基因组，则可以从基因组层面上分别将弓鳍鱼置于两种分类方法中进行研究，以确定弓鳍鱼及新鳍亚纲最佳的分类方式。

材料：雄性弓鳍鱼

组装策略：Illumina+Chicago+Hi-C

ATAC：从胚胎到幼体发育的7个时期

1.弓鳍鱼的基因组特征及其分类地位

通过多种测序策略，研究者构建的弓鳍鱼基因组大小为831Mb，Scaffold N50=41.2Mb，并将99%以上的序列锚定在23条染色体上。通过注释，共获得21948个蛋白编码基因，重复序列占比22.1%，这与斑点雀鳝基因组特征非常相似（但两者的TE分布和扩增存在显著差异）。

为证实弓鳍鱼分类属于Holostei还是Halecostomi，研究者从微染色体鉴定、基于基因组重排距离构树等多种方式进行研究。结果表明，弓鳍鱼与硬骨鱼间没有共享的微染色体融合事件，它们间的核型相似性更像是趋同进化的结果，而不是由于共同的起源，因此不支持Halecostomi假说；基于基因组重排距离构树的结果，与基于序列、编码蛋白、非编码蛋白构树的结果相一致，都证实了弓鳍鱼与斑点雀鳝亲缘关系更密切，即支持Holostei假说。此外，弓鳍鱼基因组重排速率显著低于硬骨鱼，与Holostei类群相似。总之，多方面的分析结果表明弓鳍鱼与斑点雀鳝亲缘关系更近，共同属于Holostei类群。

图2  弓鳍鱼和新鳍亚纲基因组的进化及其分类地位的确定

2.弓鳍鱼免疫系统的特性及矿化鱼鳞的形成

基于高质量的弓鳍鱼参考基因组，研究者对全骨总目的免疫系统及新鳍亚纲鳞片的变化进行了研究。人类组织相容性复合体（MHC）可以分为I类、II类和III类基因，在软骨鱼和四足动物中，I类和II类基因在一条染色体上紧密相连；硬骨鱼的I类和II类基因不相连，而III类基因则分散在硬骨鱼的基因组中，弓鳍鱼的MHC结构与软骨鱼和四足动物相似。弓鳍鱼的T细胞受体（TCR）不仅编码IgM和IgD抗体，而且还编码IgT，在斑点雀鳝中也鉴定到IgT同源基因，因此IgT抗体可以追溯到全骨总目祖先中去。

图3  弓鳍鱼与斑马鱼MHC复合体的比较

斑点雀鳝拥有矿化的厚鳞片，而弓鳍鱼的鳞片薄而灵活。研究者在弓鳍鱼中鉴定到了22个分泌型钙结合磷蛋白(SCPP)基因家族（斑点雀鳝有38个SCPP基因），其中的21个形成了两个大基因组簇，且包含与甘醇蛋白形成相关的基因组簇，但在弓鳍鱼鳞片发育过程中，抑制了这些基因的表达；且弓鳍鱼中与硬鳞片发育相关的基因（位于9号假染色体上）在逐渐丢失。因此，弓鳍鱼矿化鳞片的减少主要是由于基因调控的变化和特定SCPP基因的丢失。

图4 新鳍亚纲不同鱼中SCPP基因数量与结构的比较

3.弓鳍鱼的ATAC多组学分析

研究者对弓鳍鱼7个不同发育阶段的样本进行了ATAC、转录组和Hi-C多组学分析，共鉴定到了172276个染色质开放区域（OCRs），其中81.8%的属于非编码OCRs（ncOCRs），其中3844个属于核心ncOCRs（在斑点雀鳝、斑马鱼、小鼠、人类共享）。保守非编码元件(CNEs)和超保守元件(UCEs)被用来识别候选增强子，研究者发现弓鳍鱼中CNEs和UCEs与ncOCRs存在大量重合，进一步使用人类VISTA增强子来验证弓鳍鱼ATAC数据集的作用，结果表明弓鳍鱼与人类VISTA增强子具有更高的overlap，这说明了弓鳍鱼的ATAC图谱为进一步连接脊椎动物之间的基因调节同源性提供了关键平台。此外，研究者在弓鳍鱼tbx4基因中鉴定了一个内含子ncOCR，该基因与哺乳动物肺增强子tbx4同源，这说明脊椎动物“肺”器官在基因调控水平上具有深层同源性。

图5  弓鳍鱼发育过程中的ATAC多组学分析

4.弓鳍鱼Hox基因与胸鳍发育过程中相关基因的动态变化

Hox基因组簇在动物形态发育中具有重要作用，研究者在弓鳍鱼中鉴定到了43个Hox基因，与斑点雀鳝相一致。但有趣的是，弓鳍鱼hoxd 14可能是一个伪基因，其编码区和同源结构域存在大量终止密码子和非同义变化，但弓鳍鱼hoxd 14假基因仍然以高水平转录、剪接和高度特异的祖先模式表达。这一发现提出了一种可能性，即弓鳍鱼hoxd 14可能不再编码功能蛋白，但它可能在调控hox表达和鳍的模式和/或其他有待识别的过程中发挥某些作用。

图6  弓鳍鱼Hox基因的变化

此外，研究者在对弓鳍鱼的胸鳍发育过程进行转录组分析时发现，关键肢体发育信号配体基因fgf8在所有阶段都缺乏表达，但对其具有正向调控作用的sp8基因在所有阶段中都有表达，这说明了在弓鳍鱼中fgf8基因的调控发生了变化，这是一个独特的现象。