三维基因组揭示海洋哺乳动物次生性水生适应的趋同演化机制
三维基因组揭示海洋哺乳动物次生性水生适应的趋同演化机制
海洋哺乳动物是研究次生性水生适应和趋同演化的良好模型。虽然它们的进化轨迹不同，但都进化出了相似的形态与生理特征以适应水生生境，如流线型体型、增厚的皮下脂肪、桨状附肢以及与复杂社会结构和大脑发育相关的高级认知能力。
然而，前期基于线性基因组序列分析发现趋同演化印记较少，这表明分子趋同可能发生在基因组其他区域。本研究基于高通量染色质构象捕获技术（Hi-C）重建了鲸类（瓶鼻海豚）、鳍足类（斑海豹）及其近缘的两种陆生动物（猪獾和山羊）的高分辨率三维基因组图谱。联合多组学分析筛选了海洋哺乳动物趋同的基因组结构变异（SVs）、保守的非编元件（CNEs）、染色质拓扑结构域（TAD）以及氨基酸突变等，并基于进化发育学对筛选的候选基因或调控区开展体内外功能验证，从多个层次揭示了海洋哺乳动物趋同演化机制。
图1 图文摘要
本研究分别从头组装了瓶鼻海豚、斑海豹及其近亲猪獾的高质量染色体水平基因组，重建了瓶鼻海豚、斑海豹及其近缘的两种陆生动物（猪獾和山羊）的三维基因组图谱。从多个层次揭示了海洋哺乳动物次生性水生适应的趋同演化机制。研究结果如下：
1）脂肪层增厚：海洋哺乳动物厚厚的脂肪层有利于体温调节和能量储存。研究发现APPL1基因在鲸类、海牛类和四种生活在较冷水域的鳍足类中具有趋同氨基酸突变（P378L）。体外实验发现，过表达APPL1P378L可显著增加脂质积累。
脂肪代谢基因结构变异也发生了适应性改变。比如，在近缘的陆生哺乳动物中山羊和猪獾中，DNAJB3和MROH2A在同一个染色质拓扑结构域（TAD）内，但在鲸类和鳍足类中，一个共线性区块 break 6479破坏了三维基因组结构，使两个基因位于不同的TAD，可能使启动子与增强子隔绝开来，阻止了相互作用，从而导致脂肪代谢基因表达失调，有利于增厚脂肪层的形成。
2）长寿与抗癌：海洋哺乳动物（特别是鲸类）进化出巨大体型和长寿特征，且患癌率非常低。在鲸类和鳍足类中检测到碱基切除修复途径中的关键基因NEIL1关键功能域中共享一个激进的氨基酸突变（E71G）。Edu细胞增殖实验证实该突变显著降低癌细胞增殖，提示海洋哺乳动物趋同的氨基酸突变可显著提高 DNA 修复效率，有助于抗癌与长寿。
我们发现共线性区块Break 1154的插入影响癌症相关基因TAD位置的排布。山羊和猪獾FAM43B和MUL1位于同一TAD内部，而海豚和海豹的FAM43B基因位于TAD边界。鉴于FAM43B基因的过表达可抑制肿瘤细胞的生长和增殖，推测该基因区域附近 3D结构的改变可能和鲸类患癌率低有关。
图2 脂肪代谢和抑癌相关基因的趋同氨基酸突变
3）后肢退化：为适应水中快速游泳，海洋哺乳动物后肢截短或退化，前肢进化为鳍状肢。研究鉴定了48个海洋哺乳动物特异的加速进化的保守非编码元件（CNEs)，随机选取10个检测发现80%具有潜在的调控活性。其中，趋同加速进化的CNE300在鲸类中具有12 bp特异缺失。荧光素酶报告实验证实鲸类快速进化的CNE300调控活性降低，CNE300与其潜在的调控基因NKX3-2在同一个TAD内，而附肢发育重要基因NKX3-2是SHH信号通路的下游基因，前期研究发现鲸类后肢退化与SHH终止表达有关，因此推测鲸类CNE300特异缺失与SHH表达减少协同作用使其后肢退化。
另外，在后肢芽发育过程中TBX4表达所必需的一个调控元件——HLEA（hindlimb enhancer A）中，发现了四种鲸类特有的缺失，我们构建了一个CRISPR-Cas9编辑的小鼠，显示鲸类特有HLEA缺失可能在鲸类后肢退化中发挥重要作用。
4）高级认知能力：鲸类和鳍足类具有高度复杂的社会性和认知能力。本研究揭示了海洋哺乳动物谱系中调控神经元发育相关基因的338个CNEs发生加速进化。此外，在鲸类和鳍足类的TAD内均发现了多个结构变异，可能影响神经元发育相关基因（如NUP153和ID4）以及树突形成和发育基因（CAP2）的表达模式。以上CNEs和结构变异的进化改变可能构成了海洋哺乳动物高级认知能力和复杂社交行为的遗传基础。
总结与展望
趋同演化是进化生物学的核心问题之一。海洋哺乳动物是研究趋同演化的良好模型。新兴的三维基因组学为趋同演化的研究提供了新的机遇。本研究通过重建三维基因组、多组学联合分析以及进化发育学系统揭示了基因空间调控网络在脂肪层增厚、抗癌、附肢与神经发育方面的趋同演化机制。以上研究结果为人类肥胖、癌症以及神经等疾病的预防和治疗提供新启迪。