Nature封面：科學家揭示海馬基因組特徵及其環境適應進化機制

國際學術期刊《自然》（Nature）主刊於12月15日以封面長論文（Article）的形式在線發表了由中國科學院南海海洋研究所研究員林強課題組主導，德國、新加坡、華大基因等實驗室共同完成的研究論文The seahorse genome and the evolution of its specialized morphology（《海馬基因組及其特異體型進化機制》）。該研究在首次完成海馬全基因組分析的基礎上，揭示了海馬在海洋近岸和島礁棲息過程中的長期適應性進化特徵。據悉該研究是國內在Nature主刊上發表的第一篇關於魚類研究的論文。

圖1：海馬的特異體型及其進化速率

海馬隸屬於脊索動物門、海龍科、海馬屬，是具有特殊體型的魚類，廣泛分布於世界海洋，被視為海洋生態系統中重要的環境指示物種；因其特殊藥用功效而被譽為海洋「人蔘」，加上海馬獨特的雄性育兒和特異的交配行為而一直受到科學界的高度關注。林強研究團隊通過全基因組數據分析得知海馬是目前已獲得全基因組魚類中進化速率最快的物種（圖1），發現海馬與環境適應相關的基因在長期的進化過程中發生了明顯收縮，如嗅覺受體基因（ORs）的數目只有26個，而其它魚類多達60-169個；分泌型鈣結合磷蛋白（SCPP）主要參與骨骼、牙釉質和牙本質等的形成，該類基因在海馬中嚴重缺失，只保留了2個。與此同時，該研究對海馬的非編碼調控原件（CNEs）進行整體分析，發現海馬的CNE較其它已知魚類出現嚴重的缺失現象，轉基因研究進一步證實了體型相關的Hox基因CNE的缺失對海馬體型確實起到了調控作用。

圖2：海馬c6ast基因家族中pastn基因的重複及其排列模式

海龍科魚類是目前已知動物中唯一擁有「雄性育兒」行為的物種。研究人員發現海馬育兒袋相關的新穎基因pastn基因發生擴增，並出現特異高表達；雖然在劍尾魚（platyfish）的c6ast基因家族中也有類似pastn基因的結構及其相同的組合方式，但海馬的pastn基因擁有「獨立進化」的模式；pastn基因重複的基因選配機制在育兒袋的產生及其雄性懷孕過程中展現出新的功能特徵（圖2），在揭開海馬雄性育兒之謎中取得了重大突破。

圖3： CRISPR/Cas9 tbx4-/-斑馬魚敲除實驗揭示tbx4基因丟失導致海馬腹鰭缺失

海馬腹鰭退化機制研究也是該論文的亮點內容之一。研究人員通過對海馬和其它魚類全基因組的比較，發現海馬缺失tbx4基因，基於CRISPR/Cas9 tbx4-/-驗證發現敲除後斑馬魚的腹鰭完全丟失，但並沒有引起其它體型相關特徵的改變，從而揭示了tbx4基因的丟失確實是海馬缺失腹鰭的關鍵原因。該研究結果將為闡明魚類進化過程中腹鰭丟失的分子機制提供了重要線索（圖3），對於加深人類認識海馬生物學特性和海洋魚類進化地位具有重要意義。

綜上，林強及其合作研究團隊在國際上率先完成了海馬的全基因組研究，揭示了海馬是一種快速進化的物種，並從基因層面探討了育兒袋形成和懷孕過程，揭開了海馬雄性育兒之謎；與此同時，該團隊瞄準國際上對於海洋魚類的進化研究高地，首次闡明了海馬特異體型進化機制，為人類重新認識海洋魚類進化地位和環境適應性開拓了新視角，對推動海洋生物學科發展具有重大意義。

本公眾號由中國科學院微生物研究所信息中心承辦

微信公眾號：中國生物技術網