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《细胞》杂志刊登两篇论文揭示脊椎动物水生到陆生演化过程中的遗传创新基础
2021-02-06 16:14:36   来源:化石网   评论:0 点击:

原始辐鳍鱼已经具备大量陆生特性相关的关键基因组元件(供图:毕旭鹏,张国捷, Brian Choo)非洲肺鱼基因组为理解脊椎动物水生陆生转变提供了重要桥梁。(供图:王堃,王文)(化石网整理)据中国科学院古脊椎


原始辐鳍鱼已经具备大量陆生特性相关的关键基因组元件(供图:毕旭鹏,张国捷, Brian Choo)



非洲肺鱼基因组为理解脊椎动物水生陆生转变提供了重要桥梁。(供图:王堃,王文)

(化石网整理)据中国科学院古脊椎动物与古人类研究所:2021年2月5日凌晨,《细胞》杂志(Cell)在线发表了题目分别为“African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition”和“Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes”两篇研究论文。两篇“姊妹”论文分别解析了现生肉鳍鱼类中与四足动物亲缘关系最近的非洲肺鱼、以及原始辐鳍鱼类塞内加尔多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝共五个物种的基因组。两篇论文交叉整合基因组学、进化生物学、鱼类学、古生物学、计算生物学和分子生物学等学科,分别从不同角度揭示了脊椎动物水生到陆生的转变之谜。
 
两篇论文的研究工作由西北工业大学,中国科学院水生生物研究所,昆明动物研究所、古脊椎动物与古人类研究所等国内外多家单位协作完成,中科院古脊椎所朱敏研究员、朱幼安副研究员作为古生物学背景的合作者参与了上述两篇论文的工作,其中朱敏研究员为原始辐鳍鱼类基因组论文的共同通讯作者。
 
脊椎动物从水生到陆生是脊椎动物演化史上的一次飞跃,也是脊椎动物演化中最重要的科学问题之一。脊椎动物登陆事件发生于有颌类中的硬骨鱼类。现生硬骨鱼类包含肉鳍鱼类和辐鳍鱼类。这两个类群中物种数量最为繁盛的是肉鳍鱼类中的四足动物(成功登陆的脊椎动物类群)以及辐鳍鱼类中的真骨鱼类。相对于这两个最为繁盛的类群,硬骨鱼类演化树基部各支系的现生代表,如拉蒂迈鱼、肺鱼、多鳍鱼、弓鳍鱼、雀鳝、鲟等的物种数稀少,但却隐藏着祖先演化所遗留的痕迹,有“活化石”、“古代鱼”之称。
 
在第一篇论文中,中国科学院昆明动物研究所王文研究员及合作者报道了对非洲肺鱼基因组的解析和研究,非洲肺鱼拥有所有生物中迄今得到解析的最庞大基因组,包含高达400多亿对碱基(40 Gb),是人类基因组(3Gb)的10多倍。对肺鱼基因组的研究表明,脊椎动物从水生到陆生的演化经历了三步重要的遗传创新过程。空气呼吸能力和空气嗅觉的分子基础在肉鳍鱼类和辐鳍鱼类的共同祖先中已经出现,而辐鳍鱼类中的真骨鱼类则丢失了这一特性,属于更为特化的类群。随后,肉鳍鱼类的祖先中出现了更多呼吸相关基因和功能元件,使得它们的空气呼吸能力进一步加强。最终,四足动物演化出了更多基因和功能元件,从而具备了完备的空气呼吸能力,成功摆脱水的桎梏。与四肢运动相关的功能也呈现渐进式创新的特点,四足动物的肱骨与原始辐鳍鱼类的后基鳍骨为同源器官,桡骨则可能从肺鱼和四足动物祖先开始起源,五指/趾则从四足动物开始起源。此外,研究还发现了大脑、心脏等多个器官在登陆过程中的遗传变异基础。
 
在另外一篇论文的工作中,中国科学院昆明动物研究所张国捷研究员及合作者围绕原始辐鳍鱼类五个代表物种的基因组,分析研究四足动物对陆地生活的功能在鱼类中的演化基础。陆生脊椎动物起源过程中伴随着的两个重大适应性功能形态演化事件,即适应水中运动的鱼鳍演化为适应陆地运动的四肢,及用鳃在水中呼吸演化为用肺呼吸空气。研究发现,调控四肢运动灵活性的基因功能元件可能在硬骨鱼类共同祖先即已出现,这些元件在真骨鱼类中却特化丢失了,但在现生原始辐鳍鱼类和肉鳍鱼类中保留下来。这些元件为四足动物的四肢演化提供了重要遗传创新基础。而肺的功能形态和遗传基础的起源也同样可以追溯到所有硬骨鱼类的共同祖先,这一时期的‘原肺’在多鳍鱼和肉鳍鱼类中继续演化成更为成熟的肺,而在大部分现代硬骨鱼类中特化为鱼鳔。此外,陆生脊椎动物的出现还伴随着心肺系统从单循环到双循环的协同演化过程。在双循环系统演化中起到重要调节功能的基因元件也能在多鳍鱼甚至软骨鱼类中找到,说明一些非常古老的基因调控网络为脊椎动物水生到陆生的演化提供了重要的遗传和功能创新基础。上述研究成果对理解脊椎动物从水生到陆生的演化机制和历程具有里程碑意义。
 
论文链接:
 
https://authors.elsevier.com/c/1cXATL7PXezJC 
 
https://authors.elsevier.com/c/1cX5eL7PXezIx
 
相关报道:Cell 刊登两篇论文揭示脊椎动物水生到陆生演化过程中的遗传创新基础
 
(化石网整理)据中国科学院昆明动物研究所(进化基因组学与基因起源学科组|生物多样性基因组研究学科组):脊椎动物从水生到陆生是脊椎动物演化史上的一次飞跃,也是脊椎动物演化中最重要的科学问题之一。脊椎动物登陆事件发生于有颌类的硬骨鱼类群。现生硬骨鱼类包含肉鳍鱼类和辐鳍鱼类。这两个类群中物种数量最为繁盛的是肉鳍鱼类中的四足动物(成功登陆的脊椎动物类群)以及辐鳍鱼类中的真骨鱼类。相对于这两个最为繁盛的类群,硬骨鱼类的基部类群物种数量相对稀少,但却隐藏着祖先演化所遗留的痕迹,有“活化石”之称。 
 
2月5日凌晨,国际著名学术刊物Cell分别以African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition和Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes为题,在线发表了中国科学院昆明动物研究所王文团队、张国捷团队联合水生生物研究所、古脊椎动物与古人类研究所、北京基因组研究所,以及西北工业大学、丹麦哥本哈根大学、华大基因研究院、华南农业大学、中国农科院农业基因组研究所、武汉希望组生物科技有限公司等单位完成的两篇研究论文。两篇文章分别解析了现生肉鳍鱼类中与四足动物亲缘关系最近的非洲肺鱼、辐鳍鱼类基部的多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝五个物种的基因组,通过交叉整合基因组学、进化生物学、鱼类学、古生物学、计算生物学和分子生物学等学科,从不同角度揭示了脊椎动物水生到陆生的转变之谜。 
 
第一项工作报道了迄今解析的最大基因组,其大小高达400多亿对碱基(40 Gb),是人类基因组大小(3Gb)的10多倍。研究发现,脊椎动物从水生到陆生的演化经历了三步重要的遗传创新过程。空气呼吸能力和空气嗅觉的分子基础在硬骨鱼类共同祖先中已经出现,而真骨鱼则丢失了这一特性,属于更为特化的类群。随后,肉鳍鱼的祖先中出现了更多呼吸相关基因和功能元件,使得它们的空气呼吸能力进一步加强。最终,四足动物进化出了更多基因和功能元件,从而具备了完备的空气呼吸能力,成功摆脱水的桎梏。与四肢运动相关的功能也呈现渐进式创新的特点,四足动物的肱骨与基部辐鳍鱼的后鳍基骨为同源器官,桡骨则可能从肺鱼和四足动物祖先开始起源,五指则从四足动物开始起源。此外,该研究还发现了大脑、心脏等多个器官在登陆过程中的遗传变异基础。 
 
第二项工作围绕基部辐鳍鱼的基因组,分析研究陆生脊椎动物功能在更早期鱼类里的演化历史。陆生脊椎动物起源过程中伴随着的两个重大适应性功能形态演化事件,鱼鳍演化为四肢及鳃式呼吸演化为肺式呼吸。研究发现,调控四肢运动灵活性的基因功能元件在软骨鱼里已经出现,这些元件在真骨鱼里却特化丢失,但在现生基部辐鳍鱼和肉鳍鱼里保留下来,最终为四足动物的四肢演化提供了重要遗传创新基础。而肺的功能形态和遗传基础的起源也同样可以追溯到所有硬骨鱼共同祖先,这一时期的“原肺”在多鳍鱼和肉鳍鱼类中继续演化成更为成熟的肺,而在大部分其他硬骨鱼里特化成鱼鳔。此外,陆生脊椎动物的出现也伴随着心肺系统从单循环到双循环的协同演化过程。在双循环系统演化中起到重要调节功能的基因元件也能在多鳍鱼甚至更远古的软骨鱼里找到,说明一些古老的基因调控网络为脊椎动物水生到陆生的演化提供了重要的遗传和功能创新基础。 
 
昆明动物所研究员王文为这两篇论文的共同通讯作者,昆明动物所研究员张国捷为第二篇论文的共同通讯作者。
 
以上两项研究得到了中国科学院战略性先导专项(B类)的支持,研究成果对理解脊椎动物从水生到陆生的演化机制和历程具有里程碑意义。 
 
文章链接1:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00090-8
 
文章链接2:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00089-1
 
相关报道:水生所在Cell同期发表两篇论文揭示脊椎动物水生到陆生演化过程中的遗传创新基础
 
(化石网整理)据中国科学院水生生物研究所(杨连东):从水生到陆生是脊椎动物演化史上的一次飞跃,也是脊椎动物演化中最重要的科学问题之一。脊椎动物登陆事件发生于有颌类的硬骨鱼类。现生硬骨鱼类包含肉鳍鱼类和辐鳍鱼类。这两个类群中物种数量最为繁盛的是肉鳍鱼类中的四足动物(成功登陆的脊椎动物类群)以及辐鳍鱼类中的真骨鱼类。相对于这两个最为繁盛的类群,硬骨鱼类的基部类群物种数量相对稀少,但却隐藏着祖先演化所遗留的痕迹,有“活化石”之称。 
 
2月5日凌晨,国际顶级学术刊物Cell在线发表了中国科学院水生生物研究所联合国内外合作者完成的两篇研究论文“Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes”(图1)和“African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition”(图2)。这两项姊妹篇研究分别解析了辐鳍鱼类基部的多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝、以及现生肉鳍鱼类中与四足动物亲缘关系最近的非洲肺鱼共5个物种的基因组。两篇文章通过交叉整合基因组学、进化生物学、鱼类学、古生物学、计算生物学和分子生物学等学科手段,分别从不同角度揭示了脊椎动物水生到陆生的转变之谜。 
 
第一项工作围绕基部辐鳍鱼类的基因组开展分析,研究陆生脊椎动物功能在更早期鱼类里的演化历史。陆生脊椎动物起源过程中伴随着两个重大适应性功能形态演化事件——鱼鳍演化为四肢及鳃式呼吸演化为肺式呼吸。研究发现调控四肢运动灵活性的基因功能元件在软骨鱼中已经出现,这些元件在真骨鱼中却特化丢失,但在现生基部辐鳍鱼和肉鳍鱼中保留下来,最终为四足动物的四肢演化提供了重要遗传创新基础。而肺的功能形态和遗传基础的起源也同样可以追溯到所有硬骨鱼共同祖先,这一时期的‘原肺’在多鳍鱼和肉鳍鱼类中继续演化成更为成熟的肺,而在大部分其他硬骨鱼中特化成鱼鳔。此外,陆生脊椎动物的出现也伴随着心肺系统从单循环到双循环的协同演化过程。在双循环系统演化中起到重要调节功能的基因元件也能从多鳍鱼甚至更远古的软骨鱼中找到,说明许多古老的基因调控网络为脊椎动物水生到陆生的演化提供了重要的遗传和功能创新基础。   
 
第二项工作解析了肺鱼的全基因组序列,其高达400多亿对碱基(40 Gb)的基因组,是人类(3Gb)的十多倍,为迄今人类所测序的最大的基因组序列。为了高质量解析这一高度复杂的巨大基因组,项目组开发催生了两个应用于三代测序组装基因组的软件NextDenovo和wtbg.2.0,正在成为基因组学研究领域的通用软件,再次提升了我国在基因组学研究领域的基础影响力。对该基因组的分析发现,肺鱼超大基因组主要由其自身进化过程中LTR类转座子的大量扩增积累导致。肺鱼拥有5000多个超过1Mb的长基因,而人类只有91个。肺鱼最长基因长达18Mb,人类最长基因为2.8Mb。然而肺鱼的这些超长基因表达水平与短基因和其他物种的同源基因相似,提示肺鱼进化出了高效转录这些超长基因的机制。结合组学和实验验证发现,脊椎动物从水生到陆生的演化经历了三步重要的遗传创新过程。空气呼吸能力和空气嗅觉的分子基础在硬骨鱼类共同祖先中已经出现,而真骨鱼则丢失了这一特性,属于更为特化的类群。随后,肉鳍鱼的祖先中出现了更多呼吸相关基因和功能元件,使得它们的空气呼吸能力进一步加强。最终,四足动物进化出了更多基因和功能元件,从而具备了完备的空气呼吸能力,成功摆脱水的桎梏。与四肢运动相关的功能也呈现渐进式创新的特点,四足动物的肱骨与基部辐鳍鱼的后鳍基骨为同源器官,桡骨则可能从肺鱼和四足动物祖先开始起源,五指则从四足动物开始起源。此外,研究还发现了大脑、心脏等多个器官在登陆过程中的遗传变异基础。 
 
水生所何舜平研究员为这两篇论文的共同通讯作者,杨连东副研究员为这两篇论文的共同第一作者,姜海峰博士为第一篇论文的共同第一作者,中国科学院水生生物研究所为第一篇论文的第一完成单位。项目联合了西北工业大学、哥本哈根大学、华大基因研究院、中国科学院昆明动物研究所、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所、华南农业大学、中国科学院北京基因组研究所、中国农科院农业基因组研究所、武汉希望组生物科技有限公司等国内外多家单位协作完成。 
 
相关报道:鱼是怎么爬上陆地的?中国研究登上顶级期刊,揭开演化之谜
 
(化石网整理)据澎湃新闻(记者 贺梨萍):脊椎动物到底是如何从水生到陆生的?这是脊椎动物演化中最重要的科学问题之一。
 
北京时间2021年2月5日,国际著名学术刊物《细胞》(Cell)在线发表了中国科研团队的两篇重磅论文:通过基因组数据分析,揭示了古脊椎动物从水中登上陆地这一演化事件的历程,解答了关键性的演化问题。
 
前述研究还找到古鱼类在登陆之前已经完成的关键性准备,并确认鱼鳔起源自原始的肺,证明了达尔文关于肺和鱼鳔关系的假说。
 
两篇论文分别是:“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”。本次两篇Cell研究成果,均利用华大自主研发的测序平台DNBSEQ进行Hi-C和转录组测序,完成了鱼类的染色体组装和基因表达谱分析。华大主导及参与的两篇研究论文。
 
澎湃新闻从华大获悉,这两项姊妹篇研究解析了原始辐鳍鱼类的塞内加尔多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝,以及现生肉鳍鱼类中与四足动物亲缘关系最近的非洲肺鱼共五个物种的基因组。两篇论文交叉整合了基因组学、进化生物学、鱼类学、古生物学、计算生物学和分子生物学等学科,从不同角度和不同演化节点揭示了脊椎动物水生到陆生的演化之谜。
 
“基于物种演化过程的比较分析为揭示生物复杂性状形成机制提供了重要手段,为生物医学研究提供了有利工具。”该研究的主要通讯作者张国捷教授总结说,“这一研究不仅揭示了陆生脊椎动物起源的生理及分子机制,同时在分子水平揭示了许多脊椎动物重要器官的同源关系。此外我们的研究还说明一些祖先就已存在的基因调控机制为演化过程新性状的出现提供了遗传基础,为后续的跨越式演化提供了重要的功能基础。”
 
研究的通讯作者为张国捷教授(深圳华大生命科学研究院/中科院昆明动物所/哥本哈根大学)、何舜平研究员(中科院水生所)、朱敏研究员(中科院古脊椎动物与古人类研究所)和王文教授(西北工业大学),第一作者为毕旭鹏(中科院水生所/深圳华大基因研究院)、王堃(西北工业大学)、杨连东(中科院水生所)、潘海林(深圳华大基因研究院)、姜海峰(中科院水生所)和危起伟(中国水产科学研究院长江水产研究所)。
 
原始辐鳍鱼类基因组解析:登陆的遗传基础在硬骨鱼类祖先已经出现
 
在脊椎动物从水生到陆生的演化过程中有许多的障碍需要克服,其中两个重要问题是如何在缺少水体浮力的情况下支撑身体进行运动,以及如何呼吸空气中的氧。
 
多鳍鱼、鲟鱼、弓鳍鱼、雀鳝等原始辐鳍鱼类具备了一些与从水到陆地环境适应性相关的特征,吸引着众多科学家对它们进行研究。在第一个研究中,深圳华大生命科学研究院生物多样性基因组学研究团队与中国科学院武汉水生生物研究所、西北工业大学、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所、丹麦哥本哈根大学等单位联合解析了高质量染色体级别的多鳍鱼基因组以及其他三种原始辐鳍鱼的基因组。
 
研究发现,能够增加骨骼运动灵活性的滑膜关节在早期鱼类中已经存在。调控这些功能相关的遗传基础比我们之前预期的要更早起源,这些早期调控网络随演化历程的逐步完善,为脊椎动物登陆所需要的功能演化提供了重要遗传基础。
 
通过比较基因组学的分析,研究人员发现在这些远古鱼类的嗅觉感受器中同时存在着两种类型的嗅觉受体,除了具有鱼类都拥有检测水溶性分子的嗅觉受体之外,还具有能够检测空气分子的嗅觉受体。这与它们空气呼吸的能力相一致。
 
与此同时,研究人员通过对多个物种进行转录组测序(RNA-seq),发现在远古鱼类中高表达的基因显著富集在血管新生通路,这也解释了在这些远古鱼类里的肺或者鱼鳔表面为何密布血管,从而有助于氧气在肺部的扩散及运输。
 
另外一些肺特异性表达的基因在软骨鱼就已经出现,这也暗示着“原肺”形成的分子基础在鱼类登陆前就已经建立。值得一提的是,利用多器官表达谱的聚类和系统发生关系分析,这一研究不仅证实了达尔文提出的肺和鱼鳔是同源器官的假说,同时证明了在鱼类的鳔是从脊椎动物早期的肺演化来的。
 
此外,心肺系统协同演化对脊椎动物登陆相当重要。从鱼类的一心房一心室再到人的两心房两心室,心脏结构趋向于完善,而功能也变得更加复杂。研究人员找到了这一演化过程产生的功能创新相关遗传证据,并且新发现的一个基因调控元件与人类心脏疾病相关。
 
肺鱼基因组解析揭示四足动物登陆之谜
 
肺鱼是现存最接近四足动物的近亲,并保留了从水到陆地过渡的祖先特征。作为鱼类一大分支,肺鱼作为脊椎动物水生到陆生的“桥梁”,其基因组信息记录着脊椎动物演化史。然而它们巨大的基因组阻碍了研究人员利用组学技术对这一关键演化过程的解析。
 
在西北工业大学、中科院水生所、中科院北京基因组所、华南农业大学、中国农业科学院深圳农业基因组研究所、青岛华大基因研究院、深圳华大生命科学研究院等16家单位联合完成的肺鱼基因组研究中,研究人员发布了一个40Gb的非洲肺鱼基因组的染色体级组装成果,这是迄今为止报道的最大的基因组序列,是人类基因组大小(3Gb)的10多倍。该基因组的发布完善了从鱼类到陆地四足动物演化过程中关键的最后一环基因组序列。 
 
该研究还发现,脊椎动物从水生到陆生的演化呈现了三步式演化的特征。以空气呼吸为例,空气呼吸能力和空气嗅觉的分子基础在硬骨鱼类共同祖先中已经出现,而真骨鱼则丢失了这一特性,属于更为特化的类群。随后,肉鳍鱼的祖先中出现了更多呼吸相关基因和功能元件,使得它们的空气呼吸能力进一步加强。最终,四足动物演化出了更多基因和功能元件从而具备了完备的空气呼吸能力,成功摆脱水的桎梏。与四肢运动相关的功能也呈现渐进式创新的特点:四足动物的肱骨与原始辐鳍鱼的后基鳍骨为同源器官,桡骨则可能从肺鱼和四足动物祖先开始起源,五指则从四足动物开始起源。
 
该成果的主要参与单位西北工业大学、中科院水生所和青岛华大基因研究院同时还参与发起了“万种鱼基因组计划”(Fish10K)的国际合作项目。该项目旨在绘制万种代表性鱼类基因组图谱,涵盖世界各地鱼类的所有目和代表性科,建立一个大规模,高质量的鱼类基因组数据库,聚焦鱼类基因组研究。目前该项目已经完成第一阶段500种鱼类基因组组装和收集工作。

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