Functional roles of Aves class-specific cis-regulatory elements on macroevolution of bird-specific features

（原文鏈接：http://www.nature.com/articles/ncomms14229）

無(wú)論女?huà)z補(bǔ)天還是嫦娥奔月，無(wú)論是長(zhǎng)著翅膀的丘比特還是駕著金色天馬的阿波羅，這些神話傳說(shuō)都寄托著人類(lèi)飛翔的夢(mèng)想，以及行動(dòng)：公元前2000年中國(guó)人發(fā)明了風(fēng)箏；公元前400多年，魯班制作了能飛翔的木鳥(niǎo)；晉朝時(shí)期，中國(guó)人發(fā)明了竹蜻蜓，后來(lái)成為直升機(jī)的靈感來(lái)源；1903年，萊特兄弟首架飛機(jī)試飛成功......如今人們通過(guò)發(fā)現(xiàn)鳥(niǎo)類(lèi)的奧秘，制造了現(xiàn)代飛機(jī)、滑翔傘等讓人們能飛上藍(lán)天的工具。

翅膀及尾部的飛羽，是鳥(niǎo)兒飛行能力的重要因素。人類(lèi)利用仿生學(xué)，從其他物種身上獲得靈感并進(jìn)行模仿以制造新設(shè)備工具，飛機(jī)的制造就從鳥(niǎo)的翅膀、羽毛等處獲得了許多啟發(fā)。比如，飛機(jī)的“翼尖帆”模仿鷹類(lèi)翅尖向上卷曲呈90度的羽毛，以減小空氣漩渦，提高飛行效率；現(xiàn)代飛機(jī)飛行噪聲比早期降低了不少，正是借鑒了貓頭鷹靜音飛行的秘密武器——鋸齒狀的翅膀羽毛和腿部絨毛結(jié)構(gòu)；海鳥(niǎo)則能通過(guò)喙部探測(cè)風(fēng)從而調(diào)節(jié)翅膀形狀抑制升力，幫助飛機(jī)提高飛行效率。

鳥(niǎo)兒的飛行奧秘，還有許多是人類(lèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的，比如軍艦鳥(niǎo)、金色鷸，飛越數(shù)千公里只消耗很少的能量；幾厘米長(zhǎng)的蜂鳥(niǎo)能夠以極快的速度飛上數(shù)千米并懸停，接著俯沖、倒飛，靈活無(wú)比……

雖然鳥(niǎo)的種類(lèi)豐富，各有所長(zhǎng)，但它們也有著許多共同的特征，比如鳥(niǎo)喙、中空質(zhì)輕的骨頭、羽毛等。鳥(niǎo)的這些特征與基因有關(guān)，這些不同生物體中相似的基因序列，就被稱(chēng)為保守序列。近日，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，鳥(niǎo)的特異性保守序列在這些性狀的演化中起到了關(guān)鍵作用。

鳥(niǎo)兒從恐龍演化而來(lái)，1862年，考古學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了始祖鳥(niǎo)的化石，有著顯著的恐龍?zhí)卣?，也有翅膀、羽毛?/span>

白堊紀(jì)時(shí)期，鳥(niǎo)類(lèi)就已開(kāi)始大量涌現(xiàn)。而一次行星撞擊或是其他方式帶來(lái)的地球環(huán)境改變，滅絕了許多動(dòng)植物，其中包括現(xiàn)代鳥(niǎo)類(lèi)的祖先——恐龍。生存下來(lái)的現(xiàn)代鳥(niǎo)類(lèi)祖先被稱(chēng)為新鳥(niǎo)亞綱（Neornithes），它們適應(yīng)環(huán)境的改變而迅速演化形成生物多樣性繁復(fù)的鳥(niǎo)類(lèi)世界——如今鳥(niǎo)類(lèi)有超過(guò)10000個(gè)不同物種。

最初，鳥(niǎo)類(lèi)祖先身上長(zhǎng)出美麗的羽毛，并不是為了飛翔，可能只是源自異性吸引的需要，或是保暖作用?？呻S著環(huán)境適應(yīng)的需要，羽毛的功能發(fā)生了變化（這也被成為擴(kuò)展適應(yīng)），鳥(niǎo)兒得以飛上天空（或許出于逃離危險(xiǎn)或是其他需要）。最初羽毛如同中空的軟管，接著變成絨毛，后來(lái)才慢慢演變成現(xiàn)在我們看到的樣子。由此也可見(jiàn)，羽毛并不是為了飛行而演化出來(lái)的。

雄性負(fù)責(zé)貌美如花，雌性負(fù)責(zé)孵蛋養(yǎng)娃，動(dòng)物世界有時(shí)還真讓人看不懂呢~一起看看鳥(niǎo)中當(dāng)之無(wú)愧的顏值擔(dān)當(dāng)~

羽毛最初可能就只起到保暖或裝飾作用，尤其在雄性身上體現(xiàn)得明顯，爭(zhēng)奇斗艷努力在求偶的路上力克群雄。那么，艷麗的羽毛從哪兒來(lái)的呢？

人類(lèi)體表覆蓋皮膚、毛發(fā)、指甲，鳥(niǎo)類(lèi)則有羽毛，不同的是，它由α角蛋白家族和β角蛋白家族構(gòu)成，而人類(lèi)等脊椎動(dòng)物只有α角蛋白家族。β角蛋白家族為爬行動(dòng)物包括鳥(niǎo)類(lèi)特有。

角蛋白就如同制作鳥(niǎo)類(lèi)服裝的重要材料，不同鳥(niǎo)類(lèi)的服裝需要通過(guò)選取不同類(lèi)型和不同數(shù)目的角蛋白來(lái)量身定制。β角蛋白的多樣性與鳥(niǎo)類(lèi)表皮的多態(tài)性密切相關(guān)，它分為四個(gè)亞類(lèi)——爪子、羽毛、鱗片、角化細(xì)胞的β角蛋白，它們都參與到了羽毛發(fā)育過(guò)程中，但其不同比例構(gòu)成影響著羽毛的組成結(jié)構(gòu)與復(fù)雜性。

2014年，由華大基因主導(dǎo)、來(lái)自世界上20多個(gè)國(guó)家，80多家機(jī)構(gòu)的200多名科學(xué)家完成的鳥(niǎo)類(lèi)大型研究中，發(fā)現(xiàn)了顏色鮮艷的羽毛的演化歷程。一篇Science綜合性文章中，研究人員發(fā)現(xiàn)有8個(gè)鳥(niǎo)類(lèi)物種，它們的與羽毛顏色相關(guān)的基因角蛋白等都比其它的基因演化顯著地要快。在一項(xiàng)發(fā)表在BMC Evolutionary Biology的研究中，來(lái)自南卡羅來(lái)納大學(xué)的Matthew Greenwold和Roger Sawyer分析發(fā)現(xiàn)，水鳥(niǎo)具有最少的β角蛋白基因，相比水鳥(niǎo)，該基因在陸地鳥(niǎo)類(lèi)則多出2倍以上，而在被人工馴化的鳥(niǎo)類(lèi)中數(shù)量更多，高達(dá)8倍以上。

繼2014年Science及Genome Biology, GigaScience等雜志以專(zhuān)刊形式發(fā)表28篇關(guān)于48只鳥(niǎo)類(lèi)物種的基因組測(cè)序、組裝和全基因組比較分析后，鳥(niǎo)類(lèi)研究又迎來(lái)新成果。2017年2月6日，Nature Communications刊登了關(guān)于鳥(niǎo)的外羽演化奧秘的文章，來(lái)自國(guó)家基因庫(kù)、華大基因、日本東北大學(xué)、東京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所等單位的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)比較48個(gè)已知鳥(niǎo)類(lèi)物種的基因組和9個(gè)其它類(lèi)群脊椎動(dòng)物基因組（涵蓋哺乳類(lèi)、爬行類(lèi)、兩棲類(lèi)和魚(yú)類(lèi)），發(fā)現(xiàn)大概1%的鳥(niǎo)類(lèi)基因組區(qū)域?qū)儆邙B(niǎo)類(lèi)基因組特異性保守序列（ASHCEs），且超過(guò)99%的ASHCEs都落在非編碼區(qū)。

根據(jù)化石記錄，早在侏羅紀(jì)時(shí)期，有些恐龍已經(jīng)發(fā)育出了原始的羽毛，在生存于1.6億年前左右的近鳥(niǎo)龍中就已經(jīng)出現(xiàn)了對(duì)稱(chēng)的飛羽?，F(xiàn)代鳥(niǎo)類(lèi)非對(duì)稱(chēng)的飛羽據(jù)推測(cè)在1.2億年前的小盜龍和現(xiàn)代鳥(niǎo)類(lèi)的祖先就已經(jīng)出現(xiàn)。研究人員推測(cè)，鳥(niǎo)類(lèi)的祖先大概在1.4億年前左右就獲得了這個(gè)ASHCE。

研究發(fā)現(xiàn)SIM1基因在鳥(niǎo)(雞)胚胎中被特異性的激活，而且其表達(dá)的時(shí)間和位置與飛羽的發(fā)育時(shí)間和位置相契合。這種現(xiàn)象在其他脊椎動(dòng)物上并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。研究人員證實(shí)，SIM1的鳥(niǎo)類(lèi)特異性激活與其攜帶的ASHCE具有密切的關(guān)系，推測(cè)鳥(niǎo)類(lèi)正是因?yàn)槠渥嫦仍谂c其他恐龍分化后，獲得這個(gè)ASHCE，促使了飛羽的特異性發(fā)育。

歷史長(zhǎng)河一去不返，我們無(wú)法直觀了解演化前的故事，但我們可以通過(guò)基因組測(cè)序與分析，完成演化歷程中的故事拼圖。隨著研究的深入，獲得越來(lái)越多的基因組數(shù)據(jù)，科學(xué)家們能解答的問(wèn)題也越來(lái)越多，能保護(hù)的物種也越來(lái)越多。未來(lái)或許有一天，我們能夠重現(xiàn)演化過(guò)程，把那些消失在歷史中的物種帶回來(lái)。

基因科技造福人類(lèi)