古老病毒序列，竟可調控鳥類大腦基因！

病毒與宿主在漫長的演化過程中的相互作用，會對宿主產生深遠的影響。近日，我國科學家最新發現了古病毒與鳥類演化的有趣關聯。

研究人員發現，古老病毒曾經插入到鳥類DNA中，并伴隨著雀形目鳥類的物種大爆發，從而在鳥類宿主里不斷增殖。有意思的是，鳥類不僅可以高效的清除掉增殖的病毒DNA，有時還會利用殘余的病毒來調控自身的基因表達，例如與鳴唱有關的基因。這一成果發表于《自然—通訊》。

嵌入基因組的古病毒

在現生鳥類1萬多種鳥類中，約有6600多種鳥類為雀形目鳥類，包括了黃鸝、金絲雀、柳鶯、百靈等人們熟悉的鳥類。

論文第一作者、中國科學院大學博士研究生陳光霽介紹說，雀形目的鳥類常被統稱為“鳴禽”，絕大多數的雀形目鳥類都善于唱歌，它們鳴唱用的肌肉構造也很發達。

雀形目鳥類起源可追溯至距今約5070萬年前，在距今約2240萬年前發生了快速地輻射性演化事件，奠定了它們如今物種多樣性的格局。

“此次我們發現，在雀形目鳥類物種多樣性的形成過程中，可能有古老的內源性逆轉錄病毒的參與。”陳光霽告訴《中國科學報》。

那么，何為內源性逆轉錄病毒？

論文通訊作者、浙江大學生命演化研究中心和良渚實驗室研究員馮少鴻解釋，某些逆轉錄病毒在感染了宿主細胞以后，有一定的概率將自己的全部或部分DNA序列插入到宿主的基因組中，從而留下感染的痕跡。如果這些序列插入了宿主生殖細胞的DNA中，就有可能會遺傳給后代。而且這些病毒序列可以轉錄表達，并在宿主細胞中發揮功能，這就被稱為內源性逆轉錄病毒。

助力物種多樣化和能力創新

在漫長的演化過程中，其中一類內源性逆轉錄病毒K的序列元件廣泛的存在于雀形目鳥類基因組中，而且越是近期產生的物種，這類序列的拷貝數越多。

“我們這次在雀形目鳥類中發現了許多內源性逆轉錄病毒K（ERVK）的序列元件，它們插入在了雀形目鳥類基因組的不同位置，在這類鳥的物種分化事件里不斷影響著它們的基因組格局。時至今日，這類內源性病毒序列還在鳥類群體里不斷增殖。”馮少鴻說。

值得注意的是，在約2240萬年前的古近紀-新近紀界限時期，內源性逆轉錄病毒K不僅在雀形目鳥類里爆發性出現，同時期也侵入了我們靈長類和其他多個動物類群的基因組中。

盡管內源性逆轉錄病毒K的序列元件是古病毒感染宿主留下的“遺跡”，絕大多數已不再有完整的病毒基因功能，但有些殘余序列卻演化出了調控鳥類基因表達開關的功能。

這項研究發現，雀形目鳥類中多個基因的表達，可能受到了ERVK Solo-LTRs序列元件的調控。

“通過對雀形目鳥類和非雀形目鳥類物種大腦基因表達的比較，我們驚喜地看到ITGA2基因在雀形目鳥類發聲學習有關的腦區呈現出了高度表達，而在非雀形目鳥類中卻有較低的表達量。”陳光霽說，“在雀形目中該基因上游區域插入了一段病毒來源序列，這一序列可能對該基因的表達起到了順式調控的作用。”

據此，研究團隊推測，古老病毒的不斷累積不僅為鳴禽鳥類提供了調控創新原材料，也促進了雀形目鳥類在適應性輻射演化進程中的遺傳、性狀多樣性。

“這不僅豐富了人們對古病毒序列在鳥類物種演化中的作用的認知，也為古病毒序列調控宿主基因功能從而影響宿主演化提供了一個例證。”馮少鴻如是說。

HVC、RA和X是鳴禽鳴唱控制通路的相關腦區，在斑胸草雀大腦的HVC區和RA區中都檢測到了ITGA2基因的高表達。陳星等繪

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47501-3