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Nat Commun:中大颜光美和浙大周琦研究组共同完成药五步蛇基因组学测序

摘要 : 2016年10月6日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Communications》杂志在线发表了中山大学中山医学院药理学教研室颜光美研究组和浙江大学周琦研究组团队共同完成的传统中药物种五步蛇的基因组等组学测定,研究人员同时做出初步的比较基因组分析数据。

 2016年10月6日,国际学术权威刊物自然出版集团旗下子刊《Nature Communications》杂志在线发表了中山大学中山医学院药理学教研室颜光美研究组和浙江大学周琦研究组团队共同完成的传统中药物种五步蛇的基因组等组学测定,研究人员同时做出初步的比较基因组分析数据。研究人员在本研究中公布了高质量的五步蛇基因组图谱,首次报道了蝰蛇科物种的基因组图谱,并通过对不同蛇类基因组的比较分析,加深了人们对蛇表型演化和适应性遗传基础的认识,同时为五步蛇相关药物研发、进化生物学研究等方面提供了基因组学基础数据。颜光美研究组博士研究生银巍为论文第一作者,颜光美教授和周琦研究员为论文共同通讯作者。

蛇作为爬行纲的典型代表,通过一系列的形态重塑和生理变化实现适应性辐射,其物种丰富,分布广泛。然而,目前人们对于蛇类演化的分子机制很大程度上来源于部分特定功能基因的分析,缺乏全基因组水平、多物种的比较研究。蛇类性染色体的分化具有多态性,包含了由低等到高等、从同型染色体分化为异型染色体的多种类型,这使得蛇类成为性染色体起源和进化研究的理想模型。

目前公布的蛇类基因组主要来源于蚺科、蟒蛇科、游蛇科和眼镜蛇科,缺乏蝰蛇科的物种。五步蛇(Deinagkistrodon acutus)属于蝰蛇科,是最为高等的蛇科,相对其它蛇科物种进化出了热感应器官,特殊的溶血性毒液系统和高度分化的异型性染色体。

通过对五步蛇的基因组和不同组织转录组进行深度测序,研究人员成功绘制出了高质量的五步蛇基因组图谱。结合已发表的蛇类(红尾蚺,缅甸蟒,眼睛王蛇)和绿蜥蜴的比较基因组学研究,研究人员系统地重塑了蛇类基因组特征、基因家族、功能基因以及性染色体的演化历程。

研究人员发现蛇类基因组中的转座子呈现物种特异性的扩张。转座子在五步蛇的脑组织中特异性表达,并和周边基因的表达相关联。这些基因显著富集于环境应激和脑信号通路。以上结果表明在漫长的演化过程中,转座子对于蛇类基因组的塑造和基因功能的调控发挥着重要作用。

研究人员通过对不同蛇类基因家族、功能基因的比较分析,发现了许多和蛇类适应性进化以及功能退化相关的遗传变化。长久以来,人们普遍认为蛇类后肢的退化发生在蛇类的共同祖先。然而本研究对Hox基因及其他肢体发育、体节发生相关基因的进化分析表明,蛇后肢的退化是在蛇的共同祖先完全丧失前肢后,在不同蛇类分支中独立发生的。此外,和视觉、听觉相关的基因在蛇类中都发生了不同程度的丢失和退化。与之相对的是,嗅觉受体基因在蛇类中发生了特异性的扩张,红外受体基因在五步蛇中发生了适应性进化。这些功能基因的变化可能与蛇的祖先从地底转移到地表,适应不同环境相关。和其它蝰蛇,眼镜王蛇相比,五步蛇具有截然不同的毒液成分,某些毒素家族基因(例如蛇毒金属蛋白酶,C-型凝集素蛋白, 蛇毒丝氨酸蛋白酶)发生了特异性扩张并具有物种表达特异性。这说明五步蛇和眼镜王蛇遗传物质的差异导致了各自毒液系统的特异性。

利用测序序列在雌雄基因组上的深度差异和特异性,研究人员获得了五步蛇的Z,W性染色体序列。通过不同蛇科性染色体间的比较研究,研究人员推断出新蛇总科(包含了85%的现存蛇种,细分为六个蛇科)祖先的性染色体至少经历了三次重组抑制事件,进而导致W染色体的退化,从而解释了五步蛇高度分化异型性染色体的演化历程。

同时,研究人员在本研究中选取五步蛇作为研究对象,另外一个原因是它可作为中国毒蛇的代表,以毒性强烈,性情凶猛而闻名。 五步蛇记载于《本草纲目》、《中华本草》以及《中国药典》,是传统名贵中药材,其毒液主要作用于血液系统,引起出血、肿胀与局部组织坏死,是具有重要药物研发价值的物种。中山大学团队长期从事五步蛇毒液蛋白分离纯化、功能鉴定,研发直接溶栓等基因工程生物制剂用于缺血性脑卒中、抗血小板、肺栓塞、败血症等疾病治疗,并且早在2006年,课题组就展开了五步蛇毒腺的EST表达谱等基础性研究。在国家科技部“重大新药创制”等项目资助下,2012年团队携手浙江大学、深圳国家基因库展开五步蛇的多组学的研究。该项研究不仅提供了五步蛇基因组学等遗传背景,对于五步蛇不同组织器官在不同发育阶段的RNA和蛋白表达谱等基础数据的深入挖掘,尤其进一步对五步蛇特有的毒素家族展开功能研究,将为五步蛇相关的药物研发提供新的实验数据。

原文链接:

Evolutionary trajectories of snake genes and genomes revealed by comparative analyses of five-pacer viper

原文摘要:

Snakes have numerous features distinctive from other tetrapods and a rich history of genome evolution that is still obscure. Here, we report the high-quality genome of the five-pacer viper, Deinagkistrodon acutus, and comparative analyses with other representative snake and lizard genomes. We map the evolutionary trajectories of transposable elements (TEs), developmental genes and sex chromosomes onto the snake phylogeny. TEs exhibit dynamic lineage-specific expansion, and many viper TEs show brain-specific gene expression along with their nearby genes. We detect signatures of adaptive evolution in olfactory, venom and thermal-sensing genes and also functional degeneration of genes associated with vision and hearing. Lineage-specific relaxation of functional constraints on respective Hox and Tbx limb-patterning genes supports fossil evidence for a successive loss of forelimbs then hindlimbs during snake evolution. Finally, we infer that the ZW sex chromosome pair had undergone at least three recombination suppression events in the ancestor of advanced snakes. These results altogether forge a framework for our deep understanding into snakes’ history of molecular evolution.

来源: Nature Communications 浏览次数:0

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