多學科整合方法揭示鳥類重要特征演化機制

　　2月6日，國家基因庫生物多樣性基因組學團隊、日本東北大學、東京大學等單位的科學家們共同揭開鳥類特有性狀的形成及宏觀演化之謎——特異性保守序列對鳥類特有性狀的宏觀演化起到重要作用。此項關于鳥類基因組特異性保守序列（avian-specific highly conserved elements, ASHCEs）的研究成果在《自然-通訊》（Nature Communications）上發表。中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究員徐星也參與了該研究，從古生物學角度佐證了這項主要基于基因組信息的研究。

　　鳥類，作為恐龍現存的唯一后裔，曾在白堊紀末大滅絕事件后（約6600萬年前）發生爆發性的物種演化，演化出眾多種類，生存于各式生態環境中。如今，現生鳥類超過10500種，是四足類脊椎動物中最豐富的一個類群。雖然鳥類擁有極為豐富的生物多樣性，但幾乎所有的鳥類都具有許多共同的特征，比如鳥喙、中空質輕的骨頭、羽毛、飛行能力等。這些鳥類區別于其他物種類群的特征如何在演化過程中形成，是演化生物學里最基礎的問題之一。

　　研究者首先猜測鳥類的特異性表型可能與其基因組特異性的保守DNA序列有關，即這些序列由于受到強烈的自然選擇壓力在所有鳥類中很少發生變化，但在其他脊椎動物里這些序列要么不存在，要么發生了很大的變化。研究團隊通過比較48個已知鳥類物種的基因組和9個其它類群脊椎動物基因組（涵蓋哺乳類、爬行類、兩棲類和魚類），發現大概1%的鳥類基因組區域屬于鳥類基因組特異性保守序列（ASHCEs），而超過99%的ASHCEs都落在非編碼區。在比較蛋白編碼基因數目時發現，跟其他脊椎動物相比，鳥類基因組極少產生新的蛋白編碼基因。由此研究者們推斷，鳥類特異表型的產生并不是通過增加新的蛋白編碼基因來實現，而是通過改變非編碼區的調控序列，從而影響基因的表達，即ASHCEs可能包含重要的基因調控功能。

　　通過分析研究發現，一半以上的ASHCEs含有潛在的轉錄因子結合位點；另外還有不少還可以表達形成非編碼基因。轉錄因子結合位點和非編碼基因都是基因表達調控中的重要角色，這正驗證了ASHCEs包含大量調控元件的推測。此外，研究者們使用染色質免疫共沉淀技術（ChIP-seq）獲取雞胚胎不同發育時期的三種組蛋白修飾圖譜進行分析，發現這三種染色質組蛋白修飾都在ASHCEs中顯著富集。其中一些ASHCEs在不同發育時期呈現出不同程度的組蛋白修飾水平，說明這些元件很可能是鳥類特有的參與發育調控的增強子或調控序列。

　　研究團隊為深入研究ASHCEs在鳥類發育中的調控功能，用原位雜交技術檢測100個ASHCE關聯基因在胚胎發育中的表達模式。通過比較雞、壁虎和小鼠的胚胎發育過程，研究者識出多個基因在鳥類胚胎發育過程中有著特異表達模式。最有意思的是SIM1基因，它只在雞胚胎中表達，其表達時間和位置與飛羽的發育時間和位置相契合。飛羽是特化的羽毛，飛羽的出現是鳥類擁有飛翔能力的關鍵因素。研究者將SIM1關聯的一個ASHCE序列結合綠色熒光蛋白轉入小鼠胚胎中，轉基因小鼠胚胎中的綠色熒光蛋白即呈現出與雞胚胎中SMI1一致的表達模式，驗證了SIM1關聯ASHCE元件具有增強子功能。因此，研究者認為SIM1基因以及其關聯的ASHCE對鳥類飛羽的形成有著重要的作用。而這個鳥類特有性狀正是因為鳥類祖先在與其他恐龍分化后，SIM1基因附近獲得一個關聯ASHCE元件，促使了鳥類飛羽的表達，也使得鳥類獲得飛翔的功能。

　　鳥類不僅在翅膀上生長出飛羽，在尾巴上也長著同樣類型的羽毛，成為雄鳥展示自身，吸引異性的重要裝飾。研究團隊根據恐龍化石和早期鳥類祖先化石發現，翅膀上的飛羽和尾巴上的飛羽是在同一時期演化形成的。根據SIM1基因在翅膀和尾巴的表達模式，研究人員推測兩個部位的飛羽可能有相同的分子演化機制。此外，研究人員還發現有些馴化的鳥類比如雞和鴿子，由于人為的選擇，有些品系甚至在腿上也長著相同的飛羽，在這些品系的腿部同樣能檢測到SIM1基因的表達，更進一步證明SIM1是控制飛羽形成的關鍵基因。

　　 鳥綱基因組計劃(B10K)負責人及本項研究的通訊作者張國捷介紹說，鳥類采取了與其他物種不同的方式來實現其生物特征的演化，即不需要借助新基因的產生，而是改變其中的非編碼序列來實現對基因功能的特異性調控。為適應飛行，鳥類面臨著強大的選擇壓力因而只保留了很小的基因組，所以在演化過程中很少產生新的基因。但通過對少數非編碼元件的修改也使得鳥類獲得了許多其他物種所沒有的特異性狀。

　　 值得一提的是，這項研究是一個多學科綜合的成果，集合了基因組學、發育生物學、演化生物學和古生物學等多個學科的知識，為系統了解生物復雜演化機制提供了重要的借鑒。