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科學(xué)家揭示海馬基因組特征及其環(huán)境適應(yīng)進(jìn)化機(jī)制

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科學(xué)家揭示海馬基因組特征及其環(huán)境適應(yīng)進(jìn)化機(jī)制

摘要: 　　國際學(xué)術(shù)期刊自然（Nature）主刊于12月15日以封面長論文（Article）的形式在線發(fā)表了由中國科學(xué)院南海海洋學(xué)習(xí)所學(xué)習(xí)員林強(qiáng)課題組主導(dǎo)，德國、新加坡、華大基因等實(shí)驗(yàn)室共同完成的學(xué)習(xí)論文The seahorse genome a ...

　　國際學(xué)術(shù)期刊自然（Nature）主刊于12月15日以封面長論文（Article）的形式在線發(fā)表了由中國科學(xué)院南海海洋學(xué)習(xí)所學(xué)習(xí)員林強(qiáng)課題組主導(dǎo)，德國、新加坡、華大基因等實(shí)驗(yàn)室共同完成的學(xué)習(xí)論文The seahorse genome and the evolution of its specialized morphology（海馬基因組及其特異體型進(jìn)化機(jī)制）。該學(xué)習(xí)在首次完成海馬全基因組分析的基礎(chǔ)上，揭示了海馬在海洋近岸和島礁棲息過程中的長期適應(yīng)性進(jìn)化特征。據(jù)悉該學(xué)習(xí)是國內(nèi)在Nature主刊上發(fā)表的第一篇關(guān)于魚類學(xué)習(xí)的論文。
　　海馬隸屬于脊索動物門、海龍科、海馬屬，是具有特殊體型的魚類，廣泛分布于世界海洋，被視為海洋生態(tài)系統(tǒng)中重要的環(huán)境指示物種；因其特殊藥用功效而被譽(yù)為海洋“人參”，加上海馬獨(dú)特的雄性育兒和特異的交配行為而一直受到科學(xué)界的高度關(guān)注。林強(qiáng)學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)通過全基因組數(shù)據(jù)分析得知海馬是目前已獲得全基因組魚類中進(jìn)化速率最快的物種（圖1），發(fā)現(xiàn)海馬與環(huán)境適應(yīng)相關(guān)的基因在長期的進(jìn)化過程中發(fā)生了明顯收縮，如嗅覺受體基因（ORs）的數(shù)目只有26個(gè)，而其它魚類多達(dá)60-169個(gè)；分泌型鈣結(jié)合磷蛋白（SCPP）主要參與骨骼、牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)等的形成，該類基因在海馬中嚴(yán)重缺失，只保留了2個(gè)。與此同時(shí)，該學(xué)習(xí)對海馬的非編碼調(diào)控原件（CNEs）進(jìn)行整體分析，發(fā)現(xiàn)海馬的CNE較其它已知魚類出現(xiàn)嚴(yán)重的缺失現(xiàn)象，轉(zhuǎn)基因?qū)W習(xí)進(jìn)一步證實(shí)了體型相關(guān)的Hox基因CNE的缺失對海馬體型確實(shí)起到了調(diào)控作用。
　　海龍科魚類是目前已知動物中唯一擁有“雄性育兒”行為的物種。學(xué)習(xí)人員發(fā)現(xiàn)海馬育兒袋相關(guān)的新穎基因pastn基因發(fā)生擴(kuò)增，并出現(xiàn)特異高表達(dá)；雖然在劍尾魚（platyfish）的c6ast基因家族中也有類似pastn基因的結(jié)構(gòu)及其相同的組合方式，但海馬的pastn基因擁有“獨(dú)立進(jìn)化”的模式；pastn基因重復(fù)的基因選配機(jī)制在育兒袋的產(chǎn)生及其雄性懷孕過程中展現(xiàn)出新的功能特征（圖2），在揭開海馬雄性育兒之謎中取得了重大突破。
　　海馬腹鰭退化機(jī)制學(xué)習(xí)也是該論文的亮點(diǎn)內(nèi)容之一。學(xué)習(xí)人員通過對海馬和其它魚類全基因組的比較，發(fā)現(xiàn)海馬缺失tbx4基因，基于CRISPR/Cas9 tbx4-/-驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)敲除后斑馬魚的腹鰭完全丟失，但并沒有引起其它體型相關(guān)特征的改變，從而揭示了tbx4基因的丟失確實(shí)是海馬缺失腹鰭的關(guān)鍵原因。該學(xué)習(xí)結(jié)果將為闡明魚類進(jìn)化過程中腹鰭丟失的分子機(jī)制提供了重要線索（圖3），對于加深人類認(rèn)識海馬生物學(xué)特性和海洋魚類進(jìn)化地位具有重要意義。
　　綜上，林強(qiáng)及其合作學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)在國際上率先完成了海馬的全基因組學(xué)習(xí)，揭示了海馬是一種快速進(jìn)化的物種，并從基因?qū)用嫣接懥擞齼捍纬珊蛻言羞^程，揭開了海馬雄性育兒之謎；與此同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)國際上對于海洋魚類的進(jìn)化學(xué)習(xí)高地，首次闡明了海馬特異體型進(jìn)化機(jī)制，為人類重新認(rèn)識海洋魚類進(jìn)化地位和環(huán)境適應(yīng)性開拓了新視角，對推動海洋生物學(xué)科發(fā)展具有重大意義。
　　該學(xué)習(xí)工作得到了國家優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目（41322038）、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)（XDA13020103）、“863”青年科學(xué)家項(xiàng)目（2015AA020909）等資助。
　　文章鏈接

　　Nature 封面論文（Seahorse: Evolution at a gallop）

　　圖1：海馬的特異體型及其進(jìn)化速率

　　圖2：海馬c6ast基因家族中pastn基因的重復(fù)及其排列模式

　　圖3： CRISPR/Cas9 tbx4-/-斑馬魚敲除實(shí)驗(yàn)揭示tbx4基因丟失導(dǎo)致海馬腹鰭缺失
　　來源:南海海洋學(xué)習(xí)所　　編輯:葉瑞優(yōu)科學(xué)家揭示海馬基因組特征及其環(huán)境適應(yīng)進(jìn)化機(jī)制  |  責(zé)任編輯：蟲子
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