华大基因最新Nature Genetics文章

2013年4月29日，由深圳华大基因研究院、日本理化研究所（RIKEN）发育生物学中心以及英国桑格（Sanger）研究所等多家单位合作完成的中华鳖、绿海龟基因组研究成果在《自然·遗传学》（Nature Genetics）杂志上在线发表。本研究从基因组水平揭示了龟鳖躯体发育进化历程，为日后深入研究基因组DNA作为指导胚胎发生的“蓝图”提供了新线索。

   龟鳖类有着漫长且成功的演化历史，是形态学上最为特化的爬行动物之一。全球共有龟鳖类动物13科，89属，270余种，被分为两个特征明确的支系——侧颈龟亚目和曲颈龟亚目。目前关于龟鳖类的进化和系统发育关系，多以形态学标志为基础，然而至今龟鳖系统进化上仍存在很大分歧。此外，龟鳖独特的解剖学特征，尤其是特化的背甲，使其躯体发育进化成为难解的谜团。中华鳖和绿海龟分别是曲颈龟中鳖类和海龟类的典型代表，对其进行基因组学研究，将有助于理清龟鳖类系统发育及其躯体进化机制。

   在这项研究中，研究人员对中华鳖和绿海龟进行全基因组测序、组装注释，并通过系统发育分析，研究人员发现龟鳖类很可能是鳄类和鸟类共同祖先的姐妹群，并根据分子钟及化石证据推测，龟鳖大概是在2.679亿年前到2.483亿年前从初龙类中分化出来。而这个时期正是从晚二叠纪向三叠纪过渡阶段，也就是说龟鳖分化时间可能紧随二叠纪末的大灭绝事件或与之重合，由此便形成一种推测，龟鳖类的出现是否和当时海洋动物的灭绝有关。

   在系统发育分析的基础上，该研究还对龟鳖类特异性基因进行了初步分析。研究人员发现，在中华鳖和绿海龟基因组中均呈现出嗅觉受体（OR）家族的高度扩张。过去对哺乳动物的研究表明脊椎动物会通过丢失一些OR基因而适应水环境从而拓展自己的生态位。而此次发现龟鳖OR基因扩张，可能与此具有一定相关性。此外，研究人员还发现，龟鳖许多与味觉感知相关的基因都发生了丢失，调控饥饿刺激和能量调节激素的胃促生长素也发生了丢失，这可能与龟鳖低代谢的生活方式相关。

   随后，研究人员还基于ENSEMBL注释基因集，对中华鳖胚胎发生基因调控的变化进行了研究。现有研究发现在一些模式动物胚胎发生中会呈现出沙漏模型，即各种分类群在胚胎早期阶段开始出现不同，然后到胚胎发生中期，趋向于类似的形状，最后到后期再次呈现出差异。但这种沙漏模型迄今为止还没有在非模式动物中观察到。在本研究中，科研人员借助于RNA-seq技术，并通过建立数学模型，对中华鳖-鸡的整个胚胎发育的基因表达谱进行比较分析，发现鳖-鸡胚胎发生也存在沙漏模型，其保守性最强的时期大约在脊椎动物种系特征发育阶段，而非更晚一些的羊膜动物普遍模式发育时期。

   在龟鳖胚胎经历保守的脊椎动物种系特征发生时期后，开始形成龟鳖特异的形态学特征，包括其全新的结构特征背甲脊，背甲脊在龟鳖后期发育中形成肋骨，继而再通过复杂的分化、折叠等，形成其特殊的背甲结构。而研究发现，Wnt5a在中华鳖背甲生长带表达，这支持了在形成中华鳖特异性新特征的过程中，肢体相关的Wnt信号可能发生了共选择，这为中华鳖背甲的形成研究提供了线索。总的来说，也就是中华鳖先形成古老的脊椎动物躯体模式，然后再形成了中华鳖特异的的新特征。

   该项目作为国际合作项目，涉及众多合作单位。其中，中华鳖发育早期的沙漏模型，嗅觉受体分类，wnt5a基因的原位杂交实验由日本RIKEN完成；中华鳖、绿海龟基因组组装、注释以及爬行类的物种系统发育分析由华大基因完成。在数据上传NCBI后，ENSEMBL还承担了中华鳖基因注释，为本项目提供了权威的基因集。日本华大、深圳华大基因研究院、华大科技均在该项目沟通、执行过程中贡献重大。

   华大基因该项目负责人王卓表示：“本研究为日后深入开展爬行类基因组进化、胚胎发育模式、及其相互间关系等研究提供了重要的前提和线索。通过两只鳄鱼的基因组数据对项目进行辅助分析，还为确定爬行类备受争议的系统发育关系奠定了重要的科研基础。这一工作受到编辑和审稿人一致的赞赏，认为这是对基因组学和发育生物学成功整合的一个典范。此外，中华鳖、绿海龟基因组数据的公开将为科研人员开展龟鳖基因组研究提供新的平台。”

   日本华大基因科技服务负责人张红燕博士指出：“该成果是龟鳖类研究的重大成果,中华鳖及绿海龟基因组图谱的完成为研究龟鳖类的分类与进化,进化适应机制,发育生物学提供了重要的研究线索。华大基因先进的测序技术和优秀的生物信息分析能力、日本理化学研究所神户研究所（RIKEN CDB）在发育生物学领域深厚的基础研究背景以及其他合作单位的共同的努力，才促成了这项新的研究成果，我们期待日后能与更多的科研院所展开合作，共同探究生命奥秘。”