Nature Communications揭開鳥類特有性狀的形成和宏觀演化之謎

鶯歌燕舞、燕穿雀躍、百鳥爭鳴......大自然中，鳥的種類十分豐富，鳥的形態更是千差萬別，但幾乎所有的鳥類又都具有許多共同的特徵，比如鳥喙、中空質輕的骨頭、羽毛、飛行能力等。作為恐龍現存的唯一後裔，鳥類的這些區別於其他物種類群的特徵是如何在演化過程中形成的？這個困擾了學界數世紀的未解之謎，吸引著無數研究者們攻堅克難，破解其中的奧秘。

鳥 類

曾在第三紀大滅絕事件前後（約6600萬年前）發生爆發性的物種演化，演化出眾多種類，生存於各式生態環境中。如今，現生鳥類超過10500種，是四足類脊椎動物中最豐富的一個類群。

精華版

· 鳥類鳥喙、中空質輕的骨頭、羽毛、飛行能力等共同特徵與基因組特異性保守序列（ASHCEs）有關；

· 科學家發現1%的鳥類基因組區域屬於ASHCEs，而超過99%的ASHCEs都落在非編碼區；

· ASHCEs可能包含重要的基因調控功能，不需要藉助新基因的產生，改變非編碼區的調控序列即可產生鳥類特異表型；

· 一半以上的ASHCEs含有潛在的轉錄因子結合位點，另外還有不少還可以表達形成非編碼基因；

· 研究者認為SIM1基因以及其關聯的ASHCE對鳥類飛羽的形成有著重要的作用。

為什麼鳥兒會飛翔？賦予鳥類飛行能力的飛羽是如何演化來的？鳥類各種特有性狀的演化機理一直是科學謎團。2017年2月6日，一項發表在Nature Communications上的研究成果，揭開鳥類特有性狀的形成及宏觀演化之謎——特異性保守序列對鳥類特有性狀的宏觀演化起到重要作用。這項關於鳥類基因組特異性保守序列（avian-specific highly conserved elements, ASHCEs）的研究是由國家基因庫生物多樣性基因組學團隊、華大基因、日本東北大學、東京大學、中國科學院昆明動物研究所等單位的科學家們共同完成。

圖1 鳥類特有形態之一：翅膀上的飛羽是賦予鳥類飛行能力的最重要特徵

首先，研究者猜測鳥類的特異性表型可能與其基因組特異性的保守DNA序列有關，即這些序列由於受到強烈的自然選擇壓力在所有鳥類中很少發生變化，但在其他脊椎動物里這些序列要麼不存在，要麼發生了很大的變化。

接著，研究團隊通過比較48個已知鳥類物種的基因組和9個其它類群脊椎動物基因組（涵蓋哺乳類、爬行類、兩棲類和魚類），發現大概1%的鳥類基因組區域屬於鳥類基因組特異性保守序列（ASHCEs），而超過99%的ASHCEs都落在非編碼區。在比較蛋白編碼基因數目時發現，跟其他脊椎動物相比，鳥類基因組極少產生新的蛋白編碼基因。

由此研究者們推斷，鳥類特異表型的產生並不是通過增加新的蛋白編碼基因來實現，而是通過改變非編碼區的調控序列，從而影響基因的表達，即ASHCEs可能包含重要的基因調控功能。

圖2 鳥類在演化過程中幾乎沒有產生新的基因：通過比較48隻鳥及9種其他動物的基因組，發現在鳥類特異保守的DNA序列中，幾乎全是（99.69%）不編碼蛋白質的

通過分析研究發現，一半以上的ASHCEs含有潛在的轉錄因子結合位點；另外還有不少還可以表達形成非編碼基因。轉錄因子結合位點和非編碼基因都是基因表達調控中的重要角色，這正驗證了ASHCEs包含大量調控元件的推測。此外，研究者們使用染色質免疫共沉澱技術（ChIP-seq）獲取雞胚胎不同發育時期的三種組蛋白修飾圖譜進行分析，發現這三種染色質組蛋白修飾都在ASHCEs中顯著富集。其中一些ASHCEs在不同發育時期呈現出不同程度的組蛋白修飾水平，說明這些元件很可能是鳥類特有的參與發育調控的增強子或調控序列。

圖3 鳥類在演化過程中獲得了新的增強子，以致改變了對基因在時間和空間的激活狀態：在鳥類的演化過程中，基本上沒有新基因的產生。鳥類主要通過獲得新的基因調控DNA序列來控制新性狀的形成

研究團隊為深入研究ASHCEs在鳥類發育中的調控功能，用原位雜交技術檢測100個ASHCE關聯基因在胚胎髮育中的表達模式。通過比較雞、壁虎和小鼠的胚胎髮育過程，研究者識出多個基因在鳥類胚胎髮育過程中有著特異表達模式。

最有意思的是SIM1基因，它只在雞胚胎中表達，其表達時間和位置與飛羽的發育時間和位置相契合。飛羽是特化的羽毛，飛羽的出現是鳥類擁有了飛翔能力的關鍵因素。研究者將SIM1關聯的一個ASHCE序列結合綠色熒光蛋白轉入小鼠胚胎中，轉基因小鼠胚胎中的綠色熒光蛋白即呈現出與雞胚胎中SIM1一致的表達模式，驗證了SIM1關聯ASHCE元件具有增強子功能。

因此，研究者認為SIM1基因以及其關聯的ASHCE對鳥類飛羽的形成有著重要的作用。而這個鳥類特有性狀正是因為鳥類祖先在與其他恐龍分化後，SIM1基因附近獲得一個關聯ASHCE元件，促使了鳥類飛羽的表達，也使得鳥類獲得飛翔的功能。

圖4Sim1鳥類增強子使飛羽的發生位置活性化：Sim1基因在鳥類以外的動物中也存在，並且與中樞神經系統等作用有關。但是鳥類的Sim1基因由於有鳥類特異性增強子的存在，在翅膀的飛羽形成位置被激活表達（上圖）。另一方面，其他動物（例如小鼠）的前足並沒有Sim1基因的活性化（中圖）；而把鳥類增強子人工導入後，小鼠的前足也能和雞的翅膀一樣有該基因的表達（下圖）。報告基因是一個用來觀察基因是否被某個DNA序列（這裡是鳥類增強子）打開或關閉的工具

鳥類不僅在翅膀上生長出飛羽，在尾巴上也長著同樣類型的羽毛，成為雄鳥展示自身，吸引異性的重要裝飾。研究團隊根據恐龍化石和早期鳥類祖先化石發現，翅膀上的飛羽和尾巴上的飛羽是在同一時期演化形成。

根據SIM1基因在翅膀和尾巴的表達模式，研究人員推測兩個部位的飛羽可能有相同的分子演化機制。此外，研究人員還發現有些馴化的鳥類比如雞和鴿子，由於人為的選擇，有些品系甚至在腿上也長著相同的飛羽，在這些品系的腿部同樣能檢測到SIM1基因的表達, 更進一步證明SIM1是控制飛羽形成的關鍵基因。

圖5Sim1鳥類特異的增強子是在恐龍時代獲得的：根據化石記錄推定，鳥類約在1億7千多年前侏羅紀時期獲得初級的飛羽。而這個增強子約在1億4千年前開始受到強烈的自然選擇壓力，開始在鳥類基因組固定下來。此時恰好與鳥類祖先首次出現真正意義的現代飛羽的時間吻合。在這一時期鳥類進一步提高了其飛行能力

鳥綱基因組計劃(B10K)負責人及本項研究的通訊作者張國捷研究員介紹說，鳥類採取了與其他物種不同的方式來實現其生物特徵的演化，即不需要藉助新基因的產生，而是改變其中的非編碼序列來實現對基因功能的特異性調控。為適應飛行，鳥類面臨著強大的選擇壓力因而只保留了很小的基因組，所以在演化過程中很少產生新的基因。但通過對少數的非編碼元件的修改也使得鳥類獲得了許多其他物種所沒有的特異性狀。

值得一提的是，這項研究是一個多學科綜合的成果，集合了基因組學、發育生物學、演化生物學和古生物學等多個學科的知識，為系統了解生物複雜演化機制提供了重要的借鑒。