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蛇類(lèi)處于脊椎動(dòng)物演化歷程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，是脊椎動(dòng)物中的重要類(lèi)群。全球有約4000種，廣泛分布于除南極洲外的各大洲陸地和海洋。蛇類(lèi)演化出了四肢缺失、身體延長(zhǎng)、左右肺不對(duì)稱(chēng)發(fā)育和紅外感應(yīng)等特殊表型，揭示這些表型背后的遺傳機(jī)制對(duì)理解脊椎動(dòng)物演化歷史具有重要意義。

2023年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)在Cell上發(fā)表了文章“Large-scale snake genome analyses provide insights into vertebrate development”。研究人員基于大規(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)起源及特殊表型演化的遺傳機(jī)制。

蛇類(lèi)特有性狀的演化遺傳機(jī)制

研究選取了全球極具代表性的不同支系的蛇類(lèi)，結(jié)合多組學(xué)及基因編輯等多學(xué)科交叉研究手段，系統(tǒng)闡釋了蛇類(lèi)的起源與特殊表型的演化機(jī)制。利用染色體水平蛇類(lèi)基因組數(shù)據(jù)集，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了蛇類(lèi)系統(tǒng)發(fā)育框架，推斷蛇類(lèi)起源于約1.18億年前早白堊紀(jì)。

蛇類(lèi)系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)框架

基于比較基因組學(xué)與基因編輯等多學(xué)科研究手段，科研人員發(fā)現(xiàn)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)制之一。大量編碼及非編碼調(diào)控元件的快速演化驅(qū)動(dòng)了蛇類(lèi)身體的延長(zhǎng)。為適應(yīng)身體延長(zhǎng)，蛇類(lèi)的內(nèi)臟器官呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)發(fā)育模式，如其左肺大多趨近于退化，而右肺則較為發(fā)達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，蛇類(lèi)丟失了控制器官對(duì)稱(chēng)發(fā)育的DNAH11和FXJ1B基因，導(dǎo)致其左、右肺的不對(duì)稱(chēng)發(fā)育。

此外，科研人員還探討了紅外感應(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，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)能夠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)視覺(jué)感受RPGRIP1基因的丟失及幾丁質(zhì)酶CHIA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。

本研究率先啟動(dòng)了蛇類(lèi)大規(guī)模組學(xué)研究，解析了其特殊性狀的分子機(jī)制，對(duì)理解爬行動(dòng)物的演化歷史具有重要意義，并將推動(dòng)脊椎動(dòng)物演化生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

李家堂團(tuán)隊(duì)未來(lái)將聚焦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。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，更好的服務(wù)國(guó)家重大戰(zhàn)略需求。

中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所博士生彭長(zhǎng)軍、助理研究員任金龍和昆明動(dòng)物研究所吳東東研究員研為該論文共同第一作者，成都生物所李家堂研究員為該論文的獨(dú)立通訊作者。