群體分析揭示北極熊更近的物種形成時間和快速的適應性進化

群體分析揭示北極熊更近的物種形成時間和快速的適應性進化摘要：北極熊獨特地適應于北極的生活，并且鑒于北極極寒的氣候和主要以海洋哺乳動物為食的高血脂飲食，它已經(jīng)經(jīng)歷了激烈的生理的變化。我們利用群體基因組方法分析了89個北極熊和棕熊的完整基因組，揭示兩物種大概在47.9-34.3萬年前分化。我們發(fā)現(xiàn)，相對于棕熊，北極熊有些基因受到了強的正選擇進化。在受到最強正選擇效應的16個基因中，有9個基因與脂肪代謝和心血管疾病相關(guān)，暗示北極熊的脂肪酸代謝方式和心血管系統(tǒng)可能發(fā)生了重要的幾乎重組的變化。其中一個受到最強正選擇的基因——載脂蛋白B——編碼低密度脂蛋白（LDL）的主要脂蛋白組分，載脂蛋白B的功能性突變可能可以解釋北極熊是如何應對血液中的與人類高風險心臟疾病有關(guān)的高水平LDL。介紹北極熊獨特地適應于北極惡劣的生活條件，并且大部分時間都生活在海冰上。在極寒的北極氣候里，極度需求能量。脂肪是主要的能量來源，并且北極熊一生都是高脂肪飲食。吃奶的幼崽包含大約27%的脂肪，而成年北極熊以海洋哺乳動物為食，主要包括海豹和它們的鯨脂。北極熊在皮膚下和器官周圍有大量的脂肪沉積，依據(jù)北極熊的營養(yǎng)狀況，這些脂肪可以占到個體體重的50%。北極熊與在泛北極各種各樣的棲息地中廣泛分布的雜食動物棕熊聯(lián)系密切。兩物種在生活習性、行為、形態(tài)方面有根本的不同，表明它們適應于不同的生態(tài)位。雖然有充足的數(shù)據(jù)，但是對于兩物種何時分化仍沒有一致的意見。基于化石記錄的推論顯示北極熊與棕熊分化大約在80-15萬年前。依據(jù)當兩物種發(fā)生漂離時有效群體大小和遷移的設(shè)想，基于基因組數(shù)據(jù)的估算跨越了從5-4百萬年前到60萬年前的時間范圍。確立一個確切的關(guān)于北極熊何時形成一個物種的時間范圍對于我們理解什么進化過程推動了物種形成以及一種大型哺乳動物是如何快速地適應于極端的環(huán)境是很必要的。我們應用人口基因組框架分析北極熊和棕熊的完整的核基因組來估計北極熊和棕熊是什么時候分化的；推測兩物種共同的人口歷史來闡明當它們分化后發(fā)生了什么；探測北極熊的正選擇基因來深入理解北極熊的演變和它獨特的適應于北極生活的遺傳背景。為了解決這些問題，我們深度測序并且在101X的深度重新組裝北極熊的參照基因組，并且在3.5X-22X有效范圍重組79頭格陵蘭北極熊和10頭來自芬諾斯坎底亞、美國本土、阿德默勒爾蒂島、巴拉諾夫和位于阿拉斯加州沿海的契查哥夫島的棕熊。結(jié)果與討論北極熊和棕熊共同的歷史為了推測北極熊和棕熊的共同歷史，我們使用了一種基于種群DNA狀態(tài)同一（IBS束方法）和人口統(tǒng)計學中擴散近似法的新方法，這種新方法基于針對地點頻譜的擴散近似法來推測人口參數(shù)。這兩種模式區(qū)別于它們獨特的參數(shù)估計，部分地反映IBS束方法同時使用了復合率和突變率，而擴散近似法則只使用了突變率。然而，盡管存在全基因組突變率的已經(jīng)用深化石分化時間校準過的內(nèi)在不確定性，但是基于兩種模式的估算實際上和分化時間、相對有效的種群大小以及基因流的方向相當一致。我們發(fā)現(xiàn)了北極熊長期有效的種群大小比棕熊小的證據(jù)。遺傳多樣性是有效種群大小的一個特征，北極熊的單核苷酸多態(tài)性大約是棕熊的三分之一。同樣地，連鎖不平衡模式對人口歷史是有參考性的，我們在北極熊中發(fā)現(xiàn)了低比率的連鎖不平衡衰退。在兩物種分化之前，我們發(fā)現(xiàn)了它們?nèi)蚬餐嫦热丝跀?shù)目十分之一的衰減。北極熊與棕熊分離以后，在種群大小上出現(xiàn)衰減，雖然我們不能確切地估算衰減的時間。然而，IBS束方法和擴散近似法都表明北極熊種群大小的減小相對棕熊減小程度更大或者衰減持續(xù)時間更長，這一點和其他人口相對大小顯示證據(jù)是一致的。北極熊形成一個物種的年代我們使用IBS束方法和擴散近似法來確切地估算北極熊和棕熊何時分化，這兩種方法都將過去種群大小變化考慮在內(nèi)。兩種方法顯示兩物種在47.9-34.3萬年前分化。因為基因分型序列出現(xiàn)差錯，考慮到在兩種方法中，這些序列導致分化時間估算增加，我們可以推斷北極熊物種形成時間接近于我們估算時間的下界。我們估算的時間極大地縮減了北極熊物種形成時間，并且和化石證據(jù)一致。我們評估使用我們更復雜的人口統(tǒng)計模式和用簡單的隔離遷移模式分析我們的數(shù)據(jù)相比的效果的方法，和Hailer、Miller使用的方法是相似的。這個過程得出一個較早的分化時間，在1.6-0.8百萬年前。然而，我們發(fā)現(xiàn)我們復雜的模式估算出的是一個較近的分化時間，它更符合我們的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。我們估算的分化時間和以前基因組估算的時間之間的差異突出了在估算分化時間時將過去種群大小變化考慮在內(nèi)的影響，顯示不把過去種群大小改變考慮在內(nèi)的模式可能會過高估算分化時間。北極熊起源時間和海洋同位素11期一致。海洋同位素11期是氣候溫暖期，跨越42.4-37.4萬年之間。它是50萬年間最長的間冰期，持續(xù)了幾乎5萬年。這個時期格陵蘭冰體流變大量減少；源于格陵蘭南部中央的冰核3區(qū)底部的DNA，以及來自格陵蘭西南海岸的豐富的云杉花粉，都顯示北方的針葉林越過格陵蘭島南部發(fā)展生長。這樣一個持久的間冰期使棕熊種群的祖先移居到早前不適宜棕熊種群居住的北緯地帶，為后來分區(qū)物種形成奠定基礎(chǔ)，隨后的氣候和環(huán)境改變導致了種群隔離。北極熊和棕熊分化后的基因流依據(jù)兩物種核基因組形態(tài)和系統(tǒng)發(fā)生的分析，北極熊和棕熊是單系的姐妹物種。然而，棕熊的線粒體基因組是復系的，而現(xiàn)存的北極熊序列是作為來自阿拉斯加州群島的棕熊種群的單系姐妹進化枝被重新發(fā)現(xiàn)的，包括在棕熊多樣性之內(nèi)。一致的意見是，這說明性別決定基因在15萬年前從棕熊流動到北極熊中，隨后棕熊線粒體系統(tǒng)才定位于北極熊中。然而，這種看法不被近期的一個基因組研究支持，這項研究為歷史上基因流動是從北極熊到格陵蘭群島的棕熊而不是反過來提供證據(jù)?；贗BS束方法，我們發(fā)現(xiàn)了強有力的證據(jù)證明在兩物種分化以后從北極熊到北美洲的棕熊之間的基因流動。我們使用IBS束方法比較較小的單程基因流動的兩種情況的可能性，發(fā)現(xiàn)用從北極熊到北美洲棕熊基因流動來解釋數(shù)據(jù)比相反的情況更合理。在前一種情況里，我們估算了一個每代0.0018%的基因更換的遷移率。作為一種補充的方法，我們用擴散近似法估算了北極熊和北美洲棕熊之間非對稱的雙向基因流動模式的參數(shù)。通過這種方法，我們觀察到在兩個方向的非零值的遷移，但是推測在從北極熊到棕熊方向上有更大的遷移率。這些結(jié)果顯示歷史上基因滲透的主要方向是從北極熊到北美洲棕熊，這一點和Cahill的觀點一致。我們不能確切推測基因滲透是什么時候發(fā)生的。通過IBS束方法，我們推測基因流動發(fā)生在北極熊衰減時期，約31.9-14.8萬年前，但是這種方法只能有限地探測遷移發(fā)生的時間非常接近于一開始的分化時間。通過擴散近似法，我們推測基因流動持續(xù)至今。我們使用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析方法沒有發(fā)現(xiàn)基因流動，這表明基因流動不是一個近期或現(xiàn)在的現(xiàn)象。然而，我們注意到用于樣本分析的棕熊的數(shù)量是有限的，并且這些棕熊中沒有來自北極熊和棕熊共同的分布區(qū)的（在這些區(qū)域可能發(fā)現(xiàn)新近發(fā)生基因流動的個體）。為了進一步調(diào)查基因流動的問題，我們將基因組數(shù)據(jù)分離為100kbp片段大小，并且計算兩物種間發(fā)生基因滲入的片段的長度分配。我們發(fā)現(xiàn)最長的片段有1.1Mbp長。如果兩物種間的基因流動發(fā)生在近百代間，我們預期有更長的相同DNA序列。因此，發(fā)生基因流動片段的長度限制支持基因流動是一個古老事件的假設(shè)，因而有足夠時間用于發(fā)生基因滲入的DNA延伸片段的重組。為了確定基因流動是發(fā)生在來自北極不同區(qū)域的棕熊種群分化前還是分化后，我們使用了D統(tǒng)計數(shù)值。我們發(fā)現(xiàn)了基因流動發(fā)生于北極熊和所有棕熊種群之間的證據(jù)，顯示一些基因流動發(fā)生在棕熊種群分化之前。在來自格陵蘭群島棕熊中發(fā)現(xiàn)的強有力的證據(jù)和來自北美洲、芬諾斯坎底亞的棕熊種群中發(fā)現(xiàn)的最薄弱的證據(jù)，顯示北極熊和格陵蘭群島棕熊之間的持續(xù)基因流動發(fā)生在棕熊種群分化之后。而且，我們發(fā)現(xiàn)了棕熊種群之間近代的遷移證據(jù)。我們的數(shù)據(jù)包括6個來自格陵蘭群島的棕熊樣本。其中一個樣本（6號）來自阿德默勒爾蒂島，這座島嶼靠近美國本土。6號作為北極熊的姐妹群，其線粒體基因組是其他5個來自巴拉諾夫、契查哥夫島的格陵蘭群島樣本聚合而成。我們使用D統(tǒng)計數(shù)值觀察到正如預期一樣的北極熊和來自巴拉諾夫、契查哥夫島的棕熊之間的大量基因流動。然而，我們運用主成分分析法在6號樣本中沒有發(fā)現(xiàn)北極熊基因混入的信號，6號樣本和來自蒙大納的冰川國家公園的棕熊群居。我們在冰川國家公園的棕熊中也沒有發(fā)現(xiàn)北極熊基因混入的證據(jù)，這些棕熊的線粒體基因組是歐洲棕熊聚合而成。6號的這種現(xiàn)象反映了阿德默勒爾蒂島和美國本土上棕熊種群之間的遷移，這和早前基于核微隨體的推斷是一致的。北極熊的正選擇基因盡管北極熊是棕熊的近緣種，它在生活習性、行為以及形態(tài)上和棕熊有所不同，并且是一個極好的例子反映當物種通過選擇進化并適應于新環(huán)境或生活方式時會發(fā)生什么。我們估算的已知的最近分化時間只在47.9-34.3萬年前，結(jié)合對一塊來自斯瓦爾巴特群島古老的顎骨的穩(wěn)定同位素分析，表明北極熊至少在11萬年前就適應于北極海洋飲食和生活，為我們提供了一個絕無前例的飛速進化的時間表。假定平均每代時間為11.35年，北極熊的獨特適應可能演化了不少于20500代；這是大型哺乳動物無與倫比的。在這有限的時間里，北極熊變得獨特地適應于北極海冰上的惡劣生活，使它們能夠棲息于世界上一些惡劣氣候和荒涼環(huán)境中。對北極熊基因組快速演化的觀測提出了關(guān)于現(xiàn)存基因組發(fā)現(xiàn)了哪些選擇特征的問題。我們發(fā)現(xiàn)了發(fā)生正選擇的首位候選基因的豐富類別與肌節(jié)組織、血凝固、心臟發(fā)育和脂肪組織發(fā)育有關(guān)。在棕熊中，我們沒有發(fā)現(xiàn)有意義的發(fā)生選擇的前20候選基因的豐富類別。我們也發(fā)現(xiàn)了與棕熊相比對北極熊家系更強的正選擇作用的證據(jù)。相對棕熊而言，北極熊對我們初步試驗分數(shù)和同質(zhì)性檢驗的分布規(guī)律明顯有更高的價值。這可能只能部分用樣本大小和有效種群大小變化來解釋。總的來說，我們的數(shù)據(jù)顯示北極熊在與棕熊分化之后，快速進化并受到極強的正選擇作用。與脂肪組織發(fā)育和脂肪酸代謝有關(guān)的基因和脂肪組織發(fā)育有關(guān)的大量基因反映脂肪在北極熊生活習性和生活歷史中發(fā)揮的決定性作用；北極熊適應于處理富含脂肪酸的飲食，并且有大量的脂肪沉積。北極熊血漿膽固醇水平非常高；人類較高的膽固醇水平是心血管疾病發(fā)生的主要風險因素。北極熊如何解決終身的高水平膽固醇仍是一個謎。和脂肪組織發(fā)育有關(guān)的大量基因突出這些基因?qū)τ诒睒O熊適應于高脂肪飲食十分重要。我們選擇掃描的一個首位基因是APOB,它控制合成載脂蛋白B，這種蛋白是乳糜微粒的主要脂肪結(jié)合蛋白和低密度脂蛋白（LDL）。LDL膽固醇是心臟病的主要引發(fā)因素，并且被稱為“有害膽固醇”。載脂蛋白控制血漿和淋巴中的脂肪運輸，并且作為LDL受體的配體，促進膽固醇等分子進入細胞。APOB選擇的明顯信號意味著這種蛋白對于北極熊生理性適應的重要作用。這個基因在我們的同質(zhì)性檢驗分數(shù)中位居第二，在經(jīng)驗分布前3%中位居第一，北極熊家系定點多態(tài)突變比值為1:2，與棕熊1:162的比值相比，是其80倍。因為缺乏適當?shù)膶Ρ睒O熊的功能研究，我們不能直接確定隨機變異型。然而，我們通過計算預測來評估北極熊前20正選擇基因與人類的蛋白質(zhì)進行特殊替換的影響：大部分（約50%）的突變預計會導致功能缺失。關(guān)于其他哺乳動物中的APOB突變的功能意義已經(jīng)做了大量工作。在人類和小鼠中，與載脂蛋白水平增加有關(guān)的APOB變異型也與血漿中高濃度的膽固醇和LDL有關(guān)，并且反過來導致人類高血脂癥和心臟病。和棕熊形成對比，棕熊與大熊貓基因組相比沒有定點APOB突變，我們在北極熊中發(fā)現(xiàn)9個定點錯義突變。其中5個聚集在APOB基因的N端βα1域，雖然這個區(qū)域只占蛋白質(zhì)的22%。這個區(qū)域編碼表面部分并且包含大多數(shù)脂質(zhì)運輸?shù)墓δ軈^(qū)域。我們認為北極熊轉(zhuǎn)向主要由脂肪酸組成的飲食誘發(fā)了APOB的適應性改變，這種改變通過有效地清空血液膽固醇來使北極熊能夠處理高脂肪酸的攝入量。與心血管功能有關(guān)的基因我們發(fā)現(xiàn)顯現(xiàn)北極熊正選擇強有力證據(jù)的前16個基因中的9個基因和人類心臟功能直接相關(guān)。所有9個基因的突變，包括APOB，與人類和其他哺乳類模式生物動脈粥樣硬化或心肌癥有關(guān)。TTN編碼粗絲肌聯(lián)蛋白，橫紋肌包括心肌組織富含這種蛋白；TTN突變與家族性擴張性心肌病有關(guān)。XIRP1，作為心肌病變相關(guān)蛋白1，與心肌細胞的發(fā)育有關(guān)。ALPK3編碼一種激酶，并且在心肌細胞分化中起作用；敲除小鼠中的該基因，顯示出現(xiàn)肥厚性和擴張性心肌癥。VCL編碼黏著斑蛋白，一種與細胞連接和胞質(zhì)連接有關(guān)的細胞骨架蛋白，也是血小板中主要的踝蛋白連接蛋白。VCL缺失與人類擴張性心肌癥有關(guān)。EHD3編碼一種心臟轉(zhuǎn)運蛋白，在內(nèi)吞作用的運輸中起作用。標準的EHD3在與心力衰竭有關(guān)的分子通道中起作用。ARID5B與動脈粥樣硬化和脂肪形成的機理有關(guān)。ABCC6與分子跨膜運輸有關(guān)以及早熟性動脈粥樣硬化有關(guān)，CUL7在血管形態(tài)發(fā)生中起作用。基于這些證據(jù)，我們認為，心血管系統(tǒng)的重要改組很可能在北極熊與棕熊分化后就發(fā)生了，這可能和北極熊的生活習性有關(guān)。長期的高水平血清膽固醇，特別是LDL，導致動脈斑塊積累減少，這會導致血管逐步縮小或阻塞?；蛘撸“邏K可能破裂并且導致凝塊形成并阻塞血液流動，致使心肌供血減少，最后導致心臟病發(fā)作。行為改變，包括長距離漂流，也可能增強心血管系統(tǒng)其他方面的選擇作用，包括心肌組織。與白苔有關(guān)的基因白色表型通常在自然環(huán)境中很容易被發(fā)現(xiàn)，但是這種表型在北極很平常，在北極這種表型具有選擇優(yōu)勢。北極熊進化的一個關(guān)鍵問題是什么基因?qū)е掳咨っ念伾硇?。白色皮毛是北極熊最有區(qū)分性的特征之一，是毛發(fā)中的色素缺乏導致的。我們在兩個與色素沉積有關(guān)的候選基因中發(fā)現(xiàn)了很強的正選擇作用的證據(jù)，它們分別是LYST和AIM1。LYST編碼溶酶體運輸調(diào)節(jié)因子。黑素體，黑色素形成的地方，是與溶酶體有關(guān)的細胞器，并且與小鼠中溶酶體運輸調(diào)節(jié)因子基因突變導致的疾病有關(guān)。突變類型和位置在LYST中十分廣泛，但是家牛、大鼠、小鼠和貂中的Lyst突變表型以色素減少為特征，黑素體缺乏以淺毛皮顏色為特征。LYST包含7種北極熊特有的錯義替換，相比棕熊中只有