蛇類(lèi)演化也有“斷舍離”！成都生物所揭示蛇類(lèi)起源與演化機(jī)制 焦點(diǎn)訊息

蛇類(lèi)是爬行動(dòng)物中數(shù)量極為龐大的一支，它們?cè)谧匀唤缰姓紦?jù)十分重要的地位。全世界約有4000種蛇，它們顏色不同，形態(tài)各異，適應(yīng)能力強(qiáng)，廣泛分布于除南極之外的各個(gè)大洲，棲息在各種各樣的生態(tài)環(huán)境中，以高度特化的重要表型如四肢缺失、脊柱延長(zhǎng)、視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)退化、紅外感應(yīng)增強(qiáng)、肺臟器官不對(duì)稱(chēng)等，成為脊椎動(dòng)物演化史上一獨(dú)特的類(lèi)群。揭示蛇類(lèi)中這些特殊表型的遺傳機(jī)制，對(duì)理解脊椎動(dòng)物演化歷史具有重要意義。

(相關(guān)資料圖)

6月19日，中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所李家堂團(tuán)隊(duì)基于大規(guī)模多組學(xué)技術(shù)與基因編輯等研究手段，全面揭示了蛇類(lèi)起源及特有表型演化的遺傳機(jī)制。相關(guān)論文以“Large-scale snake genome analyses provide insights into vertebrate development”為題，發(fā)表于國(guó)際期刊《細(xì)胞》（Cell）。

“我們研究選取了全球極具代表性的不同支系的蛇類(lèi)，基于組學(xué)大數(shù)據(jù)構(gòu)建了迄今為止最有力的蛇類(lèi)系統(tǒng)學(xué)框架，整合多維度遺傳數(shù)據(jù)及基因編輯等交叉研究手段，系統(tǒng)闡釋了蛇類(lèi)的起源與特有表型的演化遺傳機(jī)制?！崩罴姨酶嬖V紅星新聞?dòng)浾?，蛇?lèi)是脊椎動(dòng)物演化歷史上的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，也是脊椎動(dòng)物演化歷史上的關(guān)鍵類(lèi)群。研究率先啟動(dòng)了全球蛇類(lèi)的組學(xué)研究，闡明了蛇類(lèi)特殊表型，比如大眾所熟知的四肢缺失、肺不對(duì)稱(chēng)發(fā)育等現(xiàn)象背后的遺傳機(jī)制，將對(duì)理解脊椎動(dòng)物復(fù)雜性狀的演化具有重要意義，也為人類(lèi)疾病的防治提供重要的科學(xué)支撐作用，推動(dòng)相關(guān)學(xué)科快速發(fā)展。

蛇類(lèi)演化也有“斷舍離”！成都生物所揭示蛇類(lèi)起源與演化機(jī)制? 由 紅星新聞 提供

蛇類(lèi)四肢缺失、身體延長(zhǎng)、內(nèi)臟器官不對(duì)稱(chēng)發(fā)育等重要遺傳機(jī)制

沒(méi)有四肢的四足動(dòng)物

揭示蛇類(lèi)演化的“斷舍離”

該研究的成果之一，是揭示蛇類(lèi)PTCH1蛋白特異性缺失的三個(gè)氨基酸殘基可能是其四肢缺失的重要遺傳機(jī)制。

“我們的研究發(fā)現(xiàn)，蛇類(lèi)起源于約1.18億年前早白堊紀(jì)，蛇類(lèi)的祖先是有腳的，和我們今天看到的蜥蜴一樣。由于環(huán)境變化，蛇的祖先進(jìn)入地下生活，而在這樣的生存環(huán)境下，四肢成為了運(yùn)動(dòng)的阻礙。于是在接下來(lái)的億萬(wàn)年中，它們逐漸失去了四肢?！崩罴姨帽硎荆芯勘砻?，蛇類(lèi)與最近緣的蜥蜴（帝王蛇蜥和科摩多巨蜥等類(lèi)群的最近共同祖先）是姐妹枝，提示蛇類(lèi)的祖先可能是某種蜥蜴。

四肢的丟失往往伴隨著身體的延長(zhǎng)，蛇的脊椎數(shù)目可達(dá)數(shù)百枚，是其他常見(jiàn)脊椎動(dòng)物的2—3倍。

“身體拉長(zhǎng)，控制脊椎前端發(fā)育（FOXC2）和后端發(fā)育（DLC）的重要基因受到強(qiáng)烈正選擇，提示它們可能也對(duì)蛇類(lèi)脊柱數(shù)增加有重要貢獻(xiàn)，可為未來(lái)的動(dòng)物遺傳育種實(shí)驗(yàn)研究提供新的材料。”李家堂說(shuō)，得益于密集的脊椎骨和精密的肌肉系統(tǒng)，雖然沒(méi)有四肢，但蛇類(lèi)的動(dòng)作靈活度極其敏捷。

而為了適應(yīng)身體延長(zhǎng)，蛇類(lèi)的內(nèi)臟器官發(fā)生了不對(duì)稱(chēng)發(fā)育。例如，其左肺大多趨近于退化，而右肺則較為發(fā)達(dá)。研究表明，蛇類(lèi)丟失了控制器官對(duì)稱(chēng)發(fā)育的DNAH11和FXJ1B基因，是其左、右肺不對(duì)稱(chēng)發(fā)育的重要遺傳因素。

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蛇類(lèi)感官系統(tǒng)演化

此外，蛇的嘴巴可以張到很大，最大可以達(dá)到130度，因此可以吞下比自己頭部大的獵物?！拔覀冄芯堪l(fā)現(xiàn)，有7個(gè)與頭部發(fā)育相關(guān)的基因在蛇類(lèi)中發(fā)生了變化，這可能是他們能夠‘吞象’的天賦來(lái)源?！?/p>

在漫長(zhǎng)的演化歷程中，有一部分蛇類(lèi)甚至進(jìn)化出感知紅外熱輻射的能力。蟒蚺和蝮蛇以其特殊的紅外感受器官——唇窩和頰窩而聞名于世，這能輔助他們?cè)诠饩€不足的情況下捕獵以及躲避天敵。

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盲蛇和紅外感應(yīng)蛇類(lèi)的演化

“研究發(fā)現(xiàn)在這兩種蛇中，與熱感和溫感相關(guān)的基因及調(diào)控元件都發(fā)生了改變，使得他們獲得了感知紅外的能力?！崩罴姨谜f(shuō)，研究還探討了紅外感應(yīng)蛇類(lèi)和穴居的盲蛇類(lèi)物種特殊表型的演化遺傳機(jī)制——

研究發(fā)現(xiàn)，與熱響應(yīng)相關(guān)的PMP22基因和與三叉神經(jīng)發(fā)育相關(guān)的NFIB基因的非編碼調(diào)控元件的趨同演化是部分蛇類(lèi)感知紅外光譜的重要遺傳驅(qū)動(dòng)力。而盲蛇類(lèi)物種則通過(guò)RPGRIP1等基因的丟失及CHIA等基因的快速演化以適應(yīng)穴居生活，并形成專(zhuān)食螞蟻及螞蟻卵的食性。

談意義：

除了生物學(xué)，還將給人類(lèi)相關(guān)疾病研究提供科學(xué)支撐

從項(xiàng)目立項(xiàng)到產(chǎn)出成果，李家堂團(tuán)隊(duì)前后共耗費(fèi)約5年時(shí)間。該成果不僅僅是生物學(xué)研究，還將給人類(lèi)相關(guān)疾病研究提供科學(xué)支撐。

李家堂告訴記者，該研究率先啟動(dòng)了全球蛇類(lèi)大規(guī)模組學(xué)研究，闡明了四肢缺失、肺不對(duì)稱(chēng)發(fā)育等特殊表型的遺傳機(jī)制，對(duì)理解脊椎動(dòng)物復(fù)雜表型的演化具有重要意義，將進(jìn)一步推動(dòng)爬行乃至脊椎動(dòng)物演化發(fā)育生物學(xué)研究。同時(shí)，亦可為動(dòng)物遺傳育種及人類(lèi)復(fù)雜性狀及疾病的研究提供重要啟示，推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

蛇類(lèi)演化也有“斷舍離”！成都生物所揭示蛇類(lèi)起源與演化機(jī)制? 由 紅星新聞 提供

蛇類(lèi)系統(tǒng)發(fā)育框架

他以人類(lèi)先天性疾病——肺病研究為例，普通動(dòng)物小白鼠左右兩側(cè)肺是均等的，但如果用左、右肺不對(duì)稱(chēng)發(fā)育的蛇類(lèi)來(lái)做模式動(dòng)物，就能很好地找到肺部非對(duì)稱(chēng)生長(zhǎng)的原因。這將為后期人類(lèi)從遺傳層面上研究肺部疾病提供重要的參考價(jià)值。另一方面，蛇的四足缺失也可為人類(lèi)肢部缺陷相關(guān)疾病提供重要遺傳學(xué)參考價(jià)值。此外，蛇的紅外感知能力也能為仿生技術(shù)及盲人治療提供科學(xué)支撐。

“研究團(tuán)隊(duì)將推動(dòng)從基礎(chǔ)科學(xué)到應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，更好地服務(wù)國(guó)家重大戰(zhàn)略需求?！崩罴姨猛嘎叮擁?xiàng)目研究并未終止。未來(lái)，其團(tuán)隊(duì)將聚焦開(kāi)發(fā)玉米蛇為模式動(dòng)物并開(kāi)展演化發(fā)育生物學(xué)研究。同時(shí)，圍繞蛇毒等重要遺傳資源的挖掘和運(yùn)用，為抗蛇毒血清及蛇毒衍生藥物的研發(fā)提供科學(xué)支撐。

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