2月6日，國(guó)家基因庫(kù)生物多樣性基因組學(xué)團(tuán)隊(duì)、日本東北大學(xué)、東京大學(xué)等單位的科學(xué)家們共同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(duì)鳥類特有性狀的宏觀演化起到重要作用。此項(xiàng)關(guān)于鳥類基因組特異性保守序列（avian-specific highly conserved elements, ASHCEs）的研究成果在《自然-通訊》（Nature Communications）上發(fā)表。中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所研究員徐星也參與了該研究，從古生物學(xué)角度佐證了這項(xiàng)主要基于基因組信息的研究。
鳥類，作為恐龍現(xiàn)存的唯一后裔，曾在白堊紀(jì)末大滅絕事件后（約6600萬(wàn)年前）發(fā)生爆發(fā)性的物種演化，演化出眾多種類，生存于各式生態(tài)環(huán)境中。如今，現(xiàn)生鳥類超過10500種，是四足類脊椎動(dòng)物中最豐富的一個(gè)類群。雖然鳥類擁有極為豐富的生物多樣性，但幾乎所有的鳥類都具有許多共同的特征，比如鳥喙、中空質(zhì)輕的骨頭、羽毛、飛行能力等。這些鳥類區(qū)別于其他物種類群的特征如何在演化過程中形成，是演化生物學(xué)里最基礎(chǔ)的問題之一。
研究者首先猜測(cè)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(guān)，即這些序列由于受到強(qiáng)烈的自然選擇壓力在所有鳥類中很少發(fā)生變化，但在其他脊椎動(dòng)物里這些序列要么不存在，要么發(fā)生了很大的變化。研究團(tuán)隊(duì)通過比較48個(gè)已知鳥類物種的基因組和9個(gè)其它類群脊椎動(dòng)物基因組（涵蓋哺乳類、爬行類、兩棲類和魚類），發(fā)現(xiàn)大概1%的鳥類基因組區(qū)域?qū)儆邙B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(qū)。在比較蛋白編碼基因數(shù)目時(shí)發(fā)現(xiàn)，跟其他脊椎動(dòng)物相比，鳥類基因組極少產(chǎn)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(chǎn)生并不是通過增加新的蛋白編碼基因來實(shí)現(xiàn)，而是通過改變非編碼區(qū)的調(diào)控序列，從而影響基因的表達(dá)，即ASHCEs可能包含重要的基因調(diào)控功能。
通過分析研究發(fā)現(xiàn)，一半以上的ASHCEs含有潛在的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)；另外還有不少還可以表達(dá)形成非編碼基因。轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)和非編碼基因都是基因表達(dá)調(diào)控中的重要角色，這正驗(yàn)證了ASHCEs包含大量調(diào)控元件的推測(cè)。此外，研究者們使用染色質(zhì)免疫共沉淀技術(shù)（ChIP-seq）獲取雞胚胎不同發(fā)育時(shí)期的三種組蛋白修飾圖譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這三種染色質(zhì)組蛋白修飾都在ASHCEs中顯著富集。其中一些ASHCEs在不同發(fā)育時(shí)期呈現(xiàn)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(fā)育調(diào)控的增強(qiáng)子或調(diào)控序列。
研究團(tuán)隊(duì)為深入研究ASHCEs在鳥類發(fā)育中的調(diào)控功能，用原位雜交技術(shù)檢測(cè)100個(gè)ASHCE關(guān)聯(lián)基因在胚胎發(fā)育中的表達(dá)模式。通過比較雞、壁虎和小鼠的胚胎發(fā)育過程，研究者識(shí)出多個(gè)基因在鳥類胚胎發(fā)育過程中有著特異表達(dá)模式。最有意思的是SIM1基因，它只在雞胚胎中表達(dá)，其表達(dá)時(shí)間和位置與飛羽的發(fā)育時(shí)間和位置相契合。飛羽是特化的羽毛，飛羽的出現(xiàn)是鳥類擁有飛翔能力的關(guān)鍵因素。研究者將SIM1關(guān)聯(lián)的一個(gè)ASHCE序列結(jié)合綠色熒光蛋白轉(zhuǎn)入小鼠胚胎中，轉(zhuǎn)基因小鼠胚胎中的綠色熒光蛋白即呈現(xiàn)出與雞胚胎中SMI1一致的表達(dá)模式，驗(yàn)證了SIM1關(guān)聯(lián)ASHCE元件具有增強(qiáng)子功能。因此，研究者認(rèn)為SIM1基因以及其關(guān)聯(lián)的ASHCE對(duì)鳥類飛羽的形成有著重要的作用。而這個(gè)鳥類特有性狀正是因?yàn)轼B類祖先在與其他恐龍分化后，SIM1基因附近獲得一個(gè)關(guān)聯(lián)ASHCE元件，促使了鳥類飛羽的表達(dá)，也使得鳥類獲得飛翔的功能。
鳥類不僅在翅膀上生長(zhǎng)出飛羽，在尾巴上也長(zhǎng)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(tuán)隊(duì)根據(jù)恐龍化石和早期鳥類祖先化石發(fā)現(xiàn)，翅膀上的飛羽和尾巴上的飛羽是在同一時(shí)期演化形成的。根據(jù)SIM1基因在翅膀和尾巴的表達(dá)模式，研究人員推測(cè)兩個(gè)部位的飛羽可能有相同的分子演化機(jī)制。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)有些馴化的鳥類比如雞和鴿子，由于人為的選擇，有些品系甚至在腿上也長(zhǎng)著相同的飛羽，在這些品系的腿部同樣能檢測(cè)到SIM1基因的表達(dá)，更進(jìn)一步證明SIM1是控制飛羽形成的關(guān)鍵基因。
鳥綱基因組計(jì)劃(B10K)負(fù)責(zé)人及本項(xiàng)研究的通訊作者張國(guó)捷介紹說，鳥類采取了與其他物種不同的方式來實(shí)現(xiàn)其生物特征的演化，即不需要借助新基因的產(chǎn)生，而是改變其中的非編碼序列來實(shí)現(xiàn)對(duì)基因功能的特異性調(diào)控。為適應(yīng)飛行，鳥類面臨著強(qiáng)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(chǎn)生新的基因。但通過對(duì)少數(shù)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(xiàng)研究是一個(gè)多學(xué)科綜合的成果，集合了基因組學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、演化生物學(xué)和古生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，為系統(tǒng)了解生物復(fù)雜演化機(jī)制提供了重要的借鑒。
圖1 鳥類特有形態(tài)之一：翅膀上的飛羽是賦予鳥類飛行能力的最重要特征。
圖2 鳥類在演化過程中幾乎沒有產(chǎn)生新的基因：通過比較48只鳥及9種其他動(dòng)物的基因組，發(fā)現(xiàn)在鳥類特異保守的DNA序列中，幾乎全是（99.69%）不編碼蛋白質(zhì)的。
圖3 鳥類在演化過程中獲得了新的增強(qiáng)子，以致改變了對(duì)基因在時(shí)間和空間的激活狀態(tài)：在鳥類的演化過程中，基本上沒有新基因的產(chǎn)生。鳥類主要通過獲得新的基因調(diào)控DNA序列來控制新性狀的形成。
圖4 Sim1鳥類增強(qiáng)子使飛羽的發(fā)生位置活性化：Sim1基因在鳥類以外的動(dòng)物中也存在，并且與中樞神經(jīng)系統(tǒng)等作用有關(guān)。但是鳥類的Sim1基因由于有鳥類特異性增強(qiáng)子的存在，在翅膀的飛羽形成位置被激活表達(dá)（上圖）。另一方面，其他動(dòng)物（例如小鼠）的前足并沒有Sim1基因的活性化（中圖）；而把鳥類增強(qiáng)子人工導(dǎo)入后，小鼠的前足也能和雞的翅膀一樣有該基因的表達(dá)（下圖）。報(bào)告基因是一個(gè)用來觀察基因是否被某個(gè)DNA序列（這里是鳥類增強(qiáng)子）打開或關(guān)閉的工具。
圖5 Sim1鳥類特異的增強(qiáng)子是在恐龍時(shí)代獲得的：根據(jù)化石記錄推定，鳥類約在1億7千多年前侏羅紀(jì)時(shí)期獲得初級(jí)的飛羽。而這個(gè)增強(qiáng)子約在1億4千年前開始受到強(qiáng)烈的自然選擇壓力，開始在鳥類基因組固定下來。此時(shí)恰好與鳥類祖先首次出現(xiàn)真正意義的現(xiàn)代飛羽的時(shí)間吻合。在這一時(shí)期鳥類進(jìn)一步提高了其飛行能力。
來源：中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所
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