当前位置：首页 > 详细信息 英国科学家通过基因组学和表观多组学技术揭示鳐鱼翼状鱼鳍性状的进化机制
作者：CZRC 发布时间：2023/4/19 9:00:00
脊椎动物的起源和多样化进过程伴随着关键发育创意的出现，其中，成对肢体表型表现出精准的形状多样性和适应性，这不仅体现在四足动物中，软骨鱼类在鱼鳍形状结构上出现相当多样化现象，如鳐鱼和魟鱼鱼鳍呈现出类似翅膀形状（翼状）的。鳐鱼这种独特的翼状鱼鳍结构为其向前推进提供了动力，使它能够不同于鲨鱼可以在海底环境中栖息。然而，这种独特鱼鳍特征的分子基础仍不清楚。
2023年4月12日，英国伦敦大学学院Ferdinand Marlétaz联合多国研究团队在国际顶级学术期刊Nature上在线发表了题为“The little skate genome and the evolutionary emergence of wing-like fins”的研究论文。该研究构建了小白鳐染色体水平参考基因组，通过比较基因组学和表观多组学（Hi-C+HiChIP+ATAC+RNA）技术联合分析，结合功能实验解析了基因组重排和调控元件变异在小白鳐翼状鳍表型进化中核心作用，揭示了鳐鱼这个神秘性状的分子起源。
该研究以软骨鱼中小白鳐（Leucoraja erinacea）为研究对象，采用PacBio CLR+Hi-C的策略构建了鳐鱼染色体水平参考基因组。鳐鱼基因组杂合度高达1.56%，研究采用混合组装策略，得到2.2 Gb的基因组序列，其中Contig N50长度达到5.35 Mb，并利用Hi-C数据挂载到40条染色体上，包括19条大染色体、14条中染色体和7条小染色体。比较基因组学分析发现小白鳐小染色体具有更高的基因密度，这与鸟类基因组结构一致；同时小染色体也表现出更多的染色体间互作，与蛇及其它四足动物中类似。
图1 小白鳐体型及基因组进化
图1 小白鳐体型及基因组进化
随后，研究以文昌鱼为外群，构建了鳐鱼、雀鳝和鸡的祖先脊索动物的染色体演化图谱，结果发现鳐鱼基因组的染色体类似于颌口脊椎动物祖先的核型配置，其特征是相较于其它有颌脊椎动物拥有更慢地旁系同源基因丢失速率和更小的染色体，这表明在鳐鱼谱系中，在第二轮WGD之后的染色体融合事件发生更少。脊索动物WGD事件后，脊椎动物基因组染色体加倍及重排和基因调控元件会并行显著变化。基因组的调控模型在基因组空间构象上呈现出染色质拓扑关联域(TADs)，这会促进顺式调控元件(CRE)和启动子之间的相互作用，构成生物精确的转录调控模式。该研究通过小白鳐的Hi-C和HiChIP研究构建了小白鳐的三维基因组调控图谱，结果表明鳐鱼基因组的3D构象源于基于转录的Compartment A/B区室和Loop环挤压形成的TADs之间的相互作用，如哺乳动物的3D基因组构象一致。有颌类特异性的WGD后α和β染色体的三维构象比较分析发现了完整的TADs显著缺失，但剩余的TADs则具有相同的平均大小和基因数量，说明TADs可能有助于基因组核型的稳定。
如其它哺乳动物一样，为了证实基因组重排是否造成TAD的改变进而驱动鳐鱼鱼鳍结构的进化，该研究通过与六种有颌脊椎动物基因组的共线性分析鉴定鳐鱼基因组共线性断裂位点，结果找到了123个，其中42个落在了TAD的边界区域。对剩余的81个共线性断裂位点可能改变TADs的区域进行分析，结合H3K4me3的HiChIP数据，确定了180个可能与鱼鳍扩张相关的基因，通过富集分析后找到Wnt/PCP代谢通路，这其中包括重要的调控因子prickle1和hox基因的激活子psip1，并通过多种功能实验从基因表达层面验证了上述分析结果。这些结果表明通过TADs的重排可以重塑现有基因网络功能，这种机制在鳐鱼独特的鱼鳍形态进化过程中发挥了核心作用。
最后，为了研究鳐鱼鳍形态的转录驱动机制，通过胸鳍和腹鳍，前胸鳍和后胸鳍的RNA-seq比较分析，结合过表达功能实验，结果显示由Hox表达抑制介导的Gli3的下调是鳍形态差异的潜在机制。联合ATAC-seq数据寻找对应的顺式调控元件，结果在hoxa1和hoxa2之间找到一个潜在调控元件，并通过斑马鱼转基因实验证实这个开放区的增强子活性，驱动了前胸鳍的基因表达。基因组同源分析发现该增强子元件在软骨鱼中保守但在硬骨鱼中缺失，且在鲨鱼（软骨鱼类）中并无活性，表明该增强子虽然在不同的软骨鱼中保守，但只在鳐鱼早期发育过程中具有功能活性。结合Hi-C、HiChIP和4C数据，观察到该增强子与前胸鳍hox家族大多数基因形成了强大的相互作用。这些结果表明，鳐鱼特异性CREs的存在可能与前胸鳍中类似次级顶端外胚层嵴（AER）信号结构域的形成有关。
图2 小白鳐鱼鳍样本的功能实验验证
图2 小白鳐鱼鳍样本的功能实验验证
总之，该研究构建了小白鳐高质量参考基因组，展示了鳐鱼染色体演化历程，结合表观多组学技术挖掘鳐鱼翼状鱼鳍性状的基因调控通路，鉴定到一个关键的特异性增强子，并结合功能实验验证了该分子机制。该研究同时展示了如何使用比较多组学技术有效地解析进化性状的分子遗传机制。