鳥類起源進化的基因組學(xué)研究進展

鳥類起源進化的基因組學(xué)研究進展

Summary：在物種起源進化研究領(lǐng)域，鳥類作為一種模式動物，在該領(lǐng)域起著舉足輕重的作用，當(dāng)前，對針對鳥類起源進化已有許多影響甚大的研究，例如有：神經(jīng)學(xué)、生理學(xué)、解刨學(xué)、古生物學(xué)、胚胎發(fā)育學(xué)、表觀遺傳學(xué)、行為學(xué)、以及保護學(xué)，隨著測序技術(shù)的快速發(fā)展以及測序價格的顯著下降，基因組技術(shù)也更加廣泛和普遍地應(yīng)用至鳥類遺傳進化中去，為更好更深入全面闡明鳥類起源提供了新的見解和證據(jù)，因此本文就近年來對鳥類起源進化開展的基因組學(xué)研究做一簡述。Keys：鳥類；分子遺傳；起源進化；鳥類是屬于脊椎動物亞門下的一綱，身體幾乎都被羽毛覆蓋，與我們?nèi)祟愐粯?，是屬于恒溫動物，但其繁衍方式是屬于卵生，有成對雙翼，主要可分為游禽、涉禽、攀禽、陸禽、猛禽、鳴禽等六大類，現(xiàn)存已知鳥類已有超過一萬種，當(dāng)前，針對鳥類這一模式動物，已有眾多學(xué)者對其進行過諸多方面的研究，包括鳥類的起源與進化、鳥類的分布、鳥類的馴化、鳥類的神經(jīng)生物學(xué)，環(huán)境對鳥類的影響、鳥類的保護現(xiàn)狀與措施等，本文就近年來鳥類起源的基因組學(xué)研究做一簡要綜述，以期為從分子基因組學(xué)方面深入研究鳥類起源提供理論參考。鳥類進化樹的構(gòu)建已有研究表明，鳥類在很久之前的一個演化早期，發(fā)生了一次迅速且巨大的物種爆發(fā)，很多物種似乎在這一段時間時間內(nèi)就都形成了，也正是由于此次大爆發(fā)式的演化，使得各物種早期親緣關(guān)系鑒別異常艱難，因此雖然在此之前已有很多學(xué)者利用很多方法構(gòu)建其系統(tǒng)發(fā)育樹，但各種方法得出的結(jié)果卻是相差甚遠。因此2014年，ErichD.Jarvis教授團隊利用幾乎能代表所有新鳥類的48種鳥類全基因組數(shù)據(jù)構(gòu)建鳥類系統(tǒng)發(fā)育，研究結(jié)果顯示，鳥類至今進行過4種物種分歧，第一次是在約至今一億年前的晚白堊紀(jì)，古顎類和新顎類發(fā)生分歧，第二次發(fā)生在至今八千八百萬前年，由新顎類分歧成雞雁小綱和新鳥小綱，第三次發(fā)生在八千四百萬年前，由古顎類分為鴕鳥及?兩個支系，第四次發(fā)生在至今約六千七百萬年至六千九百萬年前之間，在這段時間雞雁小綱和新鳥小綱發(fā)生物種大爆發(fā)，然后至至今五千萬年前幾乎所有的鳥均已分化完成，另外大約占現(xiàn)存鳥類60%的雀形目約在三千九百萬年前發(fā)生分歧，這些分歧時間均與化石記錄相一致，該研究還發(fā)現(xiàn)水生鳥類有經(jīng)歷三次獨立起源，陸生鳥類如鳴禽、鸚鵡、貓頭鷹、鷹、啄木鳥均來源于同一祖先，總之該項研究很好地闡明了鳥類早期分化及分類問題，也給許多歷史上爭論已久的問題予以了一個可信且明確的答案[1]。2、鳥類基因組大小進化研究在鳥類中具有很多復(fù)雜的特性是其他動物沒有的，如飛行，全身覆蓋羽毛等，但可以說在脊椎動物中，鳥類的基因組可以說是最小的一類。為了探究鳥類基因組進化的秘密，2014年GuojieZhang教授團隊利用上述數(shù)據(jù)對這一問題進行了探究。在研究中發(fā)現(xiàn)，首先在對基因進行注釋中發(fā)現(xiàn)幾乎所有禽類基因組的重復(fù)序列含量均較低，約占基因組的4%-10%，而其他四足脊椎動物的重復(fù)序列約占基因組的34%-52%。另外，該團隊還將鳥類的平均基因組大小與24個哺乳動物和三個非禽類爬行動物基因組進行比較，發(fā)現(xiàn)禽類蛋白編碼基因比哺乳動物和爬行動物基因分別短50％和27％，但縮短的主要是內(nèi)含子長度和基因間距，作者就推測濃縮的基因組可能代表與動力飛行過程中所需的快速基因調(diào)控適應(yīng)性變化有關(guān)，并且在與烏龜和鱷魚的比較中，發(fā)現(xiàn)鳥類的基因組存在大片段的丟失，且這些片段中包含許多重要的編碼蛋白基因，但有趣的是作者還發(fā)現(xiàn)，雖然鳥類基因有大片段丟失，但是其基因組的改變總體上是低于哺乳動物的，這表明鳥類在維持基因協(xié)同性是具有比哺乳動物更高的水平[2]，因此總體來說，我們可以看到這些研究了揭示鳥類獨特、精妙的基因組進化模式，這種進化模式的發(fā)現(xiàn)使我們對鳥類基因組的進化有了更深一步的認(rèn)識。3、染色體基因組學(xué)研究盡管存在一些差異，但是鳥類之間的絕對染色體數(shù)目相當(dāng)保守[3]，自它們的共同祖先以來，整個禽類的總體基因組結(jié)構(gòu)在核型和微同義水平上都得到了保存，其歷史到現(xiàn)今已超過1.5億年,另一項研究發(fā)現(xiàn)，鳥類中某些基因協(xié)同作用已經(jīng)存在于其他非禽類爬行動物中，并且已經(jīng)保存了超過2.25億年，這也提示這種染色體組型在進行飛行進化以前其實早就發(fā)生了進化，先前的一項研究報道了鳥類基因組中有數(shù)百萬種鳥類特異的CNE，這些CNE可能已形成調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，有助于鳥類的基因組結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，這也就解釋了，為什么鳥類基因得以如此保守，不過在另一篇文章又有講到雖然從形成鳥類至今鳥類基因組整體大小及染色體組型未發(fā)生較大變化，但是在基因組的結(jié)構(gòu)上還是存在一定的變化，且在各種鳥類之間，這些變化均是不一樣的，例如這個包含現(xiàn)存95%鳥類的新鳥小綱的共同祖先與其他鳥類相比具有更高的重排率[4]另外值得一提的是，雖然近五年可用的禽類基因組數(shù)據(jù)相比之前幾乎增加了一個數(shù)量級，不過其大多數(shù)尚未組裝至染色體水平[3]，因此大大限制了禽類染色體基因組學(xué)研究，因此構(gòu)建更多組裝至染色體水平的禽類基因組將成為從染色體水平研究禽類基因組的關(guān)鍵。關(guān)于鳥類特殊表型及功能起源的基因組學(xué)研究向前面我們所論述的，鳥類具有很多獨特性狀，這些性狀由何而來，它是由什么所控制，對于此類問題，我們用以前所使用的古生物學(xué)，解刨學(xué)均不能得到一個明確且詳細的答案，不過對于此問題，我們認(rèn)為若用基因組學(xué)方法似乎就能得到一個較好的解釋。4.1骨骼相關(guān)基因的進化和鳥類飛行的起源不同于哺乳動物，鳥類骨骼呈中空狀，這些中空狀骨頭被認(rèn)為減輕了整個禽類骨骼的重量，并降低了飛行的代謝成本，但是對于某些骨骼結(jié)構(gòu)，如肱骨和腓骨等卻比哺乳動物更重，這些表明鳥類骨骼經(jīng)歷了多種多樣的骨骼特異性選擇模式[5]。2016年Jo?oPauloMachado等學(xué)者對了47個禽類、39個哺乳動物和20爬行類動物基因組中89個與骨骼相關(guān)的基因進行了比較基因組分析，經(jīng)過多次測試校正的結(jié)果顯示：這89個與骨骼相關(guān)的基因，在哺乳動物中有30.3%基因受到正向選擇，而在鳥類則中有52.8%的基因受到選擇，幾乎是哺乳動物的兩倍，鳥類中受到正向選擇的基因大多數(shù)與骨骼調(diào)節(jié)和重塑有關(guān)，并且還有十三種與動力飛行相關(guān)的功能途徑有關(guān)，包括骨骼代謝，骨骼融合、肌肉發(fā)育以及血糖水平[5]。4.2鳥類牙齒脫落基因組學(xué)證據(jù)脊椎動物（包括鳥類，烏龜和一些哺乳動物（食蟻獸，鯨魚和穿山甲））一般都是缺乏牙齒的。所有無牙或無牙釉質(zhì)的脊椎動物都是由有牙釉質(zhì)覆蓋的祖先而來?，F(xiàn)代鳥類不使用牙齒，而是使用角質(zhì)喙及其部分消化道（肌肉）來研磨和加工食物[6]。探究鳥類牙齒為何會脫落，對于了解鳥類進化明顯是至關(guān)重要的。脊椎動物的牙齒形成是一個復(fù)雜的過程，涉及許多不同的基因,在這些基因中，有六個對于正確形成牙本質(zhì)（DSPP）和牙釉質(zhì)（AMTN、AMBN、ENAM、AMELX和MMP20）是必不可少的，2014RobertW.Meredith教授團隊在幾乎能代表現(xiàn)今所有鳥類的48種鳥類以及能夠代表所有鱷魚（鳥類的近親）的美國短吻鱷的基因組中分析了這6個基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：六個基因在美洲鱷和帶有牙釉質(zhì)牙齒的哺乳動物類群中均具有功能，而48種鳥類與牙質(zhì)和牙釉質(zhì)相關(guān)基因都存在失活突變，這表明在所有鳥類的共同祖先中就已經(jīng)失去了形成牙齒所需要的遺傳機制[6]，這也暗示鳥類牙齒丟失已年代久遠，也就預(yù)表著，研究鳥類牙齒為何丟失就變得更加復(fù)雜。4.3鳴禽聲樂學(xué)習(xí)分子機理鳴禽可以說是進化最多樣化和最成功的脊椎動物群體之一，其幾乎占所有已知鳥類的一半，去探尋鳥類是如何學(xué)會鳴叫，其如何進行聲樂學(xué)習(xí)，以及其大腦回路是如何反應(yīng)等背后的基因組學(xué)進化證據(jù)是已被證明是非常難的，部分原因是因為在2014年之前公布的鳥類基因組物種相對較少[7]。2014年MorganWirthlin教授團隊對48種禽類以及4種非禽類基因組進行了比較分析，以確定鳴禽特有的基因組特征，并通過調(diào)查它們的組織分布和預(yù)測的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域?qū)δ苓M行了初步評估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在鳴禽基因組中存在10個特殊基因，且在班馬雀的精確基因組圖譜中發(fā)現(xiàn)，這些新基因中的大多數(shù)位于明顯與染色體斷裂點相關(guān)的不穩(wěn)定的基因組區(qū)域，另外對原位雜交和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)的分析表明，鳴禽獨特基因的一個子集在大腦和/或其他組織中表達，這一子集中的2個基因（YTHDC2L1和TMRA）相對于大腦的其余部分在與語音學(xué)習(xí)相關(guān)的基因組區(qū)域中有高度差異表達，這些結(jié)果暗示了相對與其他鳥類，鳴禽有經(jīng)歷一次快速的獨立的特異性進化，這些進化為鳴禽的聲樂學(xué)習(xí)功能及特性提供基礎(chǔ)[7]。4.4鳥類特異的順式調(diào)控元件在鳥類特異特征宏觀進化中的功能作用長期以來，相比于對微觀進化的研究，我們對宏觀進化遺傳基礎(chǔ)了解甚少，且先前的研究強調(diào)大多是蛋白質(zhì)編碼基因的復(fù)制和修飾對特異性表型進化的貢獻，是進化新穎性的主要來源，但對于，非編碼序列，包括非編碼RNA和順式調(diào)控序列，雖然也被認(rèn)為在進化變化和性狀創(chuàng)新中有很大貢獻，但是幾乎沒有這方面的研究證據(jù)表明，順式調(diào)控元件參與了動物性狀的創(chuàng)造[8]。2017年RyoheiSeki教授團隊為了鑒定對鳥類具有特定功能的基因組元件，針對48種鳥類和9種非鳥類脊椎動物（包括爬行動物，哺乳動物，兩棲動物和魚類）構(gòu)建了多路全基因組比對方法。這48種鳥幾乎代表了所有現(xiàn)存的鳥類，該研究總共預(yù)計了265,984個禽類特有的ASHCE（≧20bp），約占禽類基因組的1％，這些ASHCE具有極低的取代率，約比全基因組平均水平低五倍,且它們99%都位于非編碼區(qū)，另外該研究在胚胎基因表達比較分析中發(fā)現(xiàn)，與ASHCE相關(guān)的基因在禽四肢發(fā)育中具有獨特作用，且該研究還通過電穿孔以及RCAN/RCAS逆轉(zhuǎn)錄病毒感染技術(shù)驗證了ASHCE驅(qū)動了可能與飛行羽毛的進化和發(fā)育有關(guān)的基因Sim1，在禽類中的特異性表達，與Sim1有關(guān)的ASHCE在發(fā)育過程中充當(dāng)了Sim1表達調(diào)控的增強子[8]。這些研究極大地證明了順式調(diào)控原件在動物性狀進化過程中可能扮演著至關(guān)重要的作用，研究也為后續(xù)從非編碼序列區(qū)域發(fā)掘與宏觀進化相關(guān)的遺傳機制提供理論依據(jù)。4.4從轉(zhuǎn)座子視角來闡明鳥類基因組的進化轉(zhuǎn)座子可以說在所有細胞生物的基因組中都能發(fā)現(xiàn)它，但是在起源進化的研究中，其也是常常被人們所忽視的一個研究角度，但是隨著越來越多的物種的基因組被揭示，人們對基因組有了更多的認(rèn)識，轉(zhuǎn)座子對于物種進化的作用也越來越受到重視。2016年AurélieKapusta教授團隊通過對幾乎包含了所有禽類分類群超過75個物種的基因組數(shù)據(jù)進行分析，他們有以下發(fā)現(xiàn)：第一、盡管會飛的鳥類的基因組比不會飛的鳥類更小，但是其通常卻具有更高的核苷酸取代和缺失率以及更高的TE密度，相反，不會飛的鳥類可能由于進化較慢（即幾乎沒有最近的TE插入和缺失減少了基因組的收縮）而導(dǎo)致基因組較大，因此作者就認(rèn)為，這為基因組大小進化的一種基本上非自適應(yīng)性的模式，提供了進一步的支持，即TE擴展導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定，從而增加了缺失事件的發(fā)生頻率，因此滿足了飛行鳥類對基因組丟失的要求（在脊椎動物中鳥類的基因組最小）。第二、在鳥類進化過程中染色體間和染色體內(nèi)頻繁發(fā)生重排，而這一現(xiàn)象和TE的密度升高有關(guān)，第三、由于過去組裝技術(shù)的限制，TE含量通常是本低估了[9]?？偟膩碚f這些研究發(fā)現(xiàn)，大大地豐富了我們對于轉(zhuǎn)座子在物種進化過程中作用的認(rèn)識，也暗示了我們對于轉(zhuǎn)座子的認(rèn)識還知之甚少。5、結(jié)語綜上研究，我們可以看到對于鳥類基因組的研究，這幾年已有巨大的飛躍，這些研究也極大地豐富了我們對鳥類進化起源的認(rèn)識，雖然如此，我們還是認(rèn)為在此研究領(lǐng)域我們還有很多提升空間，如：1）雖然現(xiàn)已對很多種鳥類進行了測序和組裝，但其質(zhì)量還是有很大提升之處，我們可能由此丟失了大量重要信息；2）我們需要更多的化石記錄來為鳥類進化基因組學(xué)研究提供支持以及思想源泉；3）雖然現(xiàn)在對于進化的正向研究與推斷已有大量證據(jù)，但是對于進化的反向驗證與推理還知之甚少，因此我們認(rèn)為我們后續(xù)的研究也可以注重于利用基因編輯、胚胎發(fā)育學(xué)技術(shù)、雜交技術(shù)、協(xié)助突變技術(shù)，等技術(shù)來模擬、反推驗證物種的進化。因此總的來說，我們對于鳥類起源基因組學(xué)研究雖已取得較大進展，但研究之路依然任重而道遠。Reference[1]EDJarvis，SMirarab，AJAberer，etal.Whole-genomeanalysesresolveearlybranchesinthetreeoflifeofmodernbirds[J].Science,2014,346(6215):

1320-1331.[2]GuojieZhang,CaiLi,QiyeLi,etal.Comparativegenomicsrevealsinsightsintoaviangenomeevolutionandadaptation[J].Science,2014,346(6215):1311-1320.[3]DavidP.L.Toews,JenniferWalsh,LeonardoCampagna.PopulationGenomicsofBirds:EvolutionaryHistoryandConservation[J].PopulationGenomicsWildlife,2018:255-294.[4]AurélieKapusta1and，AlexanderSuh.Thebird's-eyeviewonchromosomeevolution[J].GenomeBiology2018,19:201.[5]Jo?oPauloMachado,WarrenE.Johnson,M.ThomasP.Gilbert,etal.Bone-associatedgeneevolutionandtheoriginofflightinbirds[J].BMCGenomics2016,17:371.[6]RobertW.Meredith,GuojieZhang,M.ThomasP.Gilbe