新基因在藤壺適應底棲固著生活中的作用機制獲揭示

近日，廈門大學教授柯才煥、馮丹青團隊和副教授張原野團隊等合作，在海洋生物基因組學和污損生物附著研究領域取得最新進展，相關成果發表于《自然-遺傳學》。該研究分析了代表性海洋污損生物藤壺附著和殼形成過程，通過探究新基因bcs-6和bsf的起源和功能，揭示了新基因為生物適應獨特生境提供關鍵遺傳基礎，為海洋防污損技術和仿生材料研發提供重要見解。

藤壺作為海洋“躺平俠”，是甲殼動物中唯一營固著生活的類群。170年前，達爾文耗費八年之久對藤壺進行觀察和研究。時至今日，這一神奇生物繼續啟發生物學家和材料學家的研究靈感。藤壺能夠分泌藤壺膠，具有在水環境下快速凝固的特征，是重要的仿生材料。同時，它附著于船舶、水產養殖網衣等設施表面，對裝備造成了嚴重危害，是代表性污損生物。

然而，藤壺固著及其適應固著生活的外殼都是其在適應特殊生境過程中形成的獨特性狀，這些獨特性狀的遺傳基礎可能源于類群特有的、在演化過程中形成的新基因。這些基因是一些未知的序列，在當前的數據庫中缺乏對應的序列特征和功能信息。因此，尋找這些未知序列，解析其功能是該研究的重要挑戰。

該研究獲得了染色體水平的紋藤壺基因組。在26個擴張基因家族中，3個與附著有關，9個與殼形成有關。Hox基因家族成員Hox3和abd-A在藤壺基因組中丟失，這可能與其為適應底棲固著生活而導致的捕食和游泳器官的衰退有關。

該研究偶然發現藤壺附著過程中的一個超高表達基因具有完整的轉座子結構bcs-6。該結構屬于微型末端重復反轉錄轉座子，紋藤壺轉座子結構基因高表達的原因是其在進化過程中獲得了TATA盒和順式調控元件CRE2（CACGTG），并且在基因組中發生了多次轉座導致基因加倍。轉座子結構基因在紋藤壺金星幼體的油滴細胞中表達，與三羧酸循環和糖酵解相關的蛋白結合，調控了附著過程中的內源能量供應。轉座子結構在附著中起到重要作用。

該研究表明，轉座子不僅為基因或基因調控系統貢獻片段，還可以通過獲得啟動子和順式調控元件整體轉化為新基因并產生功能，這更新了對轉座子的認識。

另外，該研究還發現一個在紋藤壺殼形成關鍵組織外套膜中超高表達的新基因bsf，其編碼的蛋白包含7個重復基序，每個重復基序可形成4個反向平行的β折疊結構。其重組蛋白可在水環境中自組裝形成絲狀纖維，與幾丁質和方解石緊密結合。該研究提出了藤壺殼形成的機制模型。探究適應特定環境進化的bsf基因特征，有助于開發水環境中具有特殊黏合作用的仿生材料。

該研究獲得國家自然科學基金項目以及國家重點研發計劃項目等的聯合資助。

論文相關信息：

https://doi.org/10.1038/s41588-024-01733-7