揭秘蛇类演化：从四肢到无腿的遗传密码
揭秘蛇类演化：从四肢到无腿的遗传密码
近日，中国科学院成都生物研究所李家堂团队在国际顶尖学术期刊《细胞》发表重要研究成果，揭示了蛇类失去四肢及独特表型演化的遗传机制。这一发现不仅对理解蛇类进化有重要意义，还可能为脊椎动物发育研究带来新启示。
四肢退化的遗传密码
蛇类的四肢退化是其最显著的特征之一。李家堂团队通过比较基因组学与基因编辑技术，发现蛇类PTCH1蛋白特异性缺失的三个氨基酸残基可能是其四肢缺失的重要遗传机制之一。
这一发现与此前关于ZRS（Shh基因增强子）的研究相呼应。ZRS是调控四肢发育的关键基因序列，位于目标基因启动子约百万碱基对之外。研究显示，ZRS在大多数脊椎动物中高度保守，但在蛇类中却发生了快速变化。通过跨物种实验，研究人员将蛇类、鱼类或人类的ZRS序列替换到小鼠基因组中，发现只有鱼类和人类的ZRS能够支持小鼠四肢的正常发育，而蛇类的ZRS则导致严重的四肢缩小现象。
身体延长与器官不对称发育
除了四肢退化，蛇类还演化出了独特的身体延长和内脏器官不对称发育特征。研究发现，大量编码及非编码调控元件的快速演化驱动了蛇类的身体延长。为了适应这种延长，蛇类的内脏器官呈现出不对称发育模式，例如左肺大多趋近于退化，而右肺则较为发达。
研究团队进一步发现，蛇类丢失了控制器官对称发育的DNAH11和FXJ1B基因，这是导致其左、右肺不对称发育的重要遗传因素。这些发现揭示了蛇类如何在基因层面实现身体结构的重塑，以适应其独特的生存环境。
特殊生活方式的遗传基础
研究团队还探讨了红外感应蛇类和穴居的盲蛇类物种特殊表型的演化遗传机制。红外感应蛇类（如蟒蛇、蚺蛇和蝰蛇）能够感知红外光谱，这与其捕食策略密切相关。研究发现，与热响应相关的PMP22基因和与三叉神经发育相关的NFIB基因的非编码调控元件的趋同演化，是部分蛇类能够感知红外光谱的重要遗传驱动力。
而盲蛇类物种则通过视觉感受RPGRIP1基因的丢失及几丁质酶CHIA的快速演化以适应穴居生活，并形成专食蚂蚁及蚂蚁卵的独特食性。这些发现揭示了蛇类如何通过基因层面的适应性演化，发展出多样化的生活方式和生态位。
研究的意义与展望
这项研究率先启动了爬行动物大规模组学研究，全面揭示了蛇类起源及特殊表型演化的遗传机制。研究团队基于染色体水平蛇类基因组数据集构建了迄今最有力的蛇类系统发育框架，推断蛇类起源于约1.18亿年前的早白垩纪，支持了蛇类是由蜥蜴演化而来的假说。
这些发现不仅有助于我们更好地理解蛇类如何适应环境并发展出独特的生理特征，还可能为脊椎动物发育研究提供新的参考。李家堂表示，这些发现有助于我们更好地了解蛇类如何适应环境并发展出独特的生理特征。研究团队未来将聚焦开发玉米蛇为模式动物，并开展演化发育生物学研究，同时将聚焦蛇毒等重要遗传资源的挖掘和运用，为抗蛇毒血清及蛇毒衍生药物的研发提供科学支撑。