王文團隊發表3篇Science，在生命科學領域取得重大進展

　　2019年6月21日，西北工業大學王文團體同時發表了3篇Science 文章，這些研究使用基因組分析來解決主要反芻動物譜系之間的進化關系，確定參與頭帶進化的基因，并研究馴鹿如何適應北極地區漫長的日夜。這些研究使我們能夠更好地了解熟悉的家養奶牛，綿羊和鹿及其野生近緣種，并深入了解占據世界草原的羚羊，長頸鹿，野牛和叉角羚的適應性；最后，Science 對于這三項研究進行了系統介紹，其中：

　　反芻動物是最成功的哺乳動物譜系之一，具有廣泛的形態和生態多樣性，包含幾種主要的牲畜物種，如牛，水牛，牦牛，綿羊和山羊。 反芻動物已經進化出幾個不同的特征，例如多腔胃，顱附件（頭帶），專門的牙列，高度游動的運動，以及各種體型變化。 盡管它們具有生物學意義和對人類社會的價值，但反芻動物的進化歷史尚未完全解決，其特定特征背后的分子機制仍然未知。西北工業大學王文，中科院昆明動物研究所/BGI 張國捷及丹麥哥本哈根大學Rasmus Heller共同通訊在Science在線發表題為”Large-scale ruminant genome sequencing provides insights into their evolution and distinct traits“的研究論文，該研究對44種反芻動物的基因組進行了從頭組裝，代表了跨越所有六個家族的36個屬。結合五個先前發表的bovid基因組，兩個已發表的cervid基因組，以及最近更新的化石信息，該研究構建了該組的時間校準系統發育樹，分析了物種種群歷史，并研究了這些物種基因組進化。該研究結果不僅為了解這一重要哺乳動物群體的起源和進化及其特殊性狀提供了數據，而且還具有將反芻家畜基因組資源置于進化背景和保護反芻動物生物多樣性的意義。

　　馴鹿（Rangifer tarandus）自然分布在北極和亞北極地區。 因此，這些動物已經進化到面臨許多挑戰，包括暴露于嚴寒，冬季有限的食物供應，以及極長的光照或黑暗時期。 與所有其他鹿類物種不同，雄性和雌性馴鹿每年都會生長落葉鹿角。 此外，馴鹿是鹿科中唯一完全馴化的物種。 然而，對這些性狀的潛在遺傳原因知之甚少。西北工業大學王文，邱強及中國農業科學院特產研究所李志鵬共同通訊在Science 發表題為”Biological adaptations in the Arctic cervid, the reindeer (Rangifer tarandus)“的研究論文，該文章被選為本期Science的封面文章。該研究發現維生素D代謝途徑中涉及的兩個基因（CYP27B1和POR）在馴鹿中處于陽性選擇狀態；另外，該研究還確定了在脂肪代謝中發揮作用的基因，包括APOB和FASN。有趣的是，該研究還發現馴鹿CCND1基因上游的突變賦予雄激素受體額外的功能性結合基序，因此可能導致雌性鹿茸生長。總而言之，該研究結果揭示了北極鹿的廣泛特征的遺傳基礎，并為理解哺乳動物對北極的適應性策略提供了基礎。比較基因組研究和功能分析鑒定了許多基因，這些基因具有與晝夜節律性心律失常，維生素D代謝，順應性和鹿茸生長相關的功能，以及獨特突變和/或正選擇的基因。該結果可能提供與人類健康相關的見解，包括馴鹿中維生素D的遺傳反應如何影響骨骼和脂肪代謝以及基因如何影響晝夜節律性心律失常。

　　除了Moschidae之外，所有的pecoran家族都有顱附屬物或頭飾，這是哺乳動物中獨特的結構，在每個家族中具有不同的形態（長頸鹿的ossicones，叉角羚的pronghorns，cervids的鹿角和bovids的角）。 此外，鹿茸是哺乳動物中唯一可再生的器官，因此為再生生物學提供了獨特的模型。 鹿角也具有極快的生長速度，細胞增殖率甚至超過癌組織生長。 子宮頸癌的發病率也很低。 鹿生長的嚴格調節和鹿的腫瘤發生抑制之間的關系可以為人類和其他生物體的癌癥預防和治療提供見解。西北農林科技大學姜雨，西北工業大學王文及邱強共同通訊在Science 在線發表題為”Genetic basis of ruminant headgear and rapid antler regeneration“的研究論文，該研究從牛科動物和鹿科動物中獲得了221個轉錄組，并對三個基因組進行了測序，這三個基因組代表了兩個聚合缺乏頭帶的pecoran譜系。將數據與大量反芻動物基因組進行比較，檢測出具有頭帶（PWH）的pecorans中的遺傳變化。該研究揭示了反芻動物頭帶的進化，發育和組織學起源以及鹿角再生的遺傳機制。已鑒定的基因及其獨特的突變為未來頭帶發育，哺乳動物器官再生和腫瘤發生的功能研究提供了指導。

　　最后，Science 發表了題為"Resolving ruminants"的點評文章，該評論指出這些研究使用基因組分析來解決主要反芻動物譜系之間的進化關系，確定參與頭帶進化的基因，并研究馴鹿如何適應北極地區漫長的日夜。這些研究使我們能夠更好地了解熟悉的家養奶牛，綿羊和鹿及其野生近緣種，并深入了解占據世界草原的羚羊，長頸鹿，野牛和叉角羚的適應性。

1. 大規模反芻動物基因組測序提供了對其進化和獨特性狀的見解

　　Ruminantia是一種重要的陸生食草動物，包括至少200種現存的物種，跨越六個科：Tragulidae，Antilocapridae，Giraffidae，Moschidae，Cervidae和Bovidae。這些家族中物種最豐富的是牛科動物，其中包括至少143種，包括重要的家畜（如牛，水牛，牦牛，綿羊和山羊）。反芻動物具有幾個獨特且特征性的解剖學標志，例如多腔胃和顱附件（頭帶）。獲得反芻動物和卵子中的瘤胃（除了Tragulidae之外的所有反芻動物）都允許這些動物使用比其他食草哺乳動物更高效的植物材料，例如馬科動物。這種效應被認為與這些動物在多樣性，豐度和地理范圍方面的進化成功有關。反芻動物也進化出極端的形態多樣性，體重從<2>1200 kg，以及各種不同的行為和生理特征。最終，反芻動物的這些適應性可能解釋了這些動物在家畜中的顯著豐富程度。

　　盡管它們具有生物學上的突出地位和對人類文明的價值，但關于反芻動物的知識還是很有限。例如，反芻動物的系統發育遠未解決，甚至在家庭層面也存在不一致。此外，其許多特征性狀的遺傳基礎仍然未知。

文章總結

　　為了填補在知識方面的空白，研究人員對44種反芻動物的基因組進行了從頭組裝，代表了跨越所有六個家族的36個屬。結合五個先前發表的bovid基因組，兩個已發表的cervid基因組，以及最近更新的化石信息，該研究構建了該組的時間校準系統發育樹，分析了物種種群歷史，并研究了這些物種基因組進化。該研究結果不僅為了解這一重要哺乳動物群體的起源和進化及其特殊性狀提供了數據，而且還具有將反芻家畜基因組資源置于進化背景和保護反芻動物生物多樣性的意義。

　　參考信息：

　　https://science.sciencemag.org/content/364/6446/eaav6202

　　2.北極鹿的生物適應性

　　馴鹿（Rangifer tarandus）自然分布在北極和亞北極地區。它們面臨著嚴峻的寒冷和冬季有限的食物供應，以及一年中長時間的光明和黑暗等挑戰，因此必須制定戰略以解決這些環境障礙。例如，馴鹿沒有表現出24小時的活動節律，并且有證據表明晝夜節律組織很弱甚至沒有，表明它們的內部生物鐘可以適應北極的極端光周期。這些動物也開發了一種特殊的脂肪代謝過程，通過外周血管收縮限制熱量損失，并保持低靜息代謝率。

入選為本期Science封面

　　另一個挑戰是，盡管必須應對低水平的太陽能，但馴鹿需要滿足快速鹿茸生長的鈣需求，因此暗示它們必須具有特別高的代謝維生素D的能力。此外，盡管考古證據表明人類已經在數千年發現了馴鹿，但是Tarandus是Cervidae家族中唯一完全馴化的物種。在這方面，過去幾個世紀出現廣泛的馴鹿飼養對于亞洲和歐洲北極高地的人類文明發展具有相當重要的意義。然而，目前對其潛在的遺傳原因知之甚少。

獨特的突變解釋了馴鹿的生物適應性

　　該研究使用馴鹿，其他反芻動物物種和許多哺乳動物外群之間進行了比較基因組分析，以鑒定快速進化的基因。然后進一步重新測序了來自中國北方的三只家養馴鹿和來自北歐的三只野生馴鹿的基因組，以驗證馴鹿特異性突變是固定在物種而不是個體多態性。該研究發現維生素D代謝途徑中涉及的兩個基因（CYP27B1和POR）在馴鹿中處于陽性選擇狀態。此外，功能實驗驗證了兩種關鍵酶（CYP27B1和POR）比山羊和狍中的直系同源物具有更高的催化活性。另外，該研究還確定了在脂肪代謝中發揮作用的基因，包括APOB和FASN。有趣的是，該研究還發現馴鹿CCND1基因上游的突變賦予雄激素受體額外的功能性結合基序，因此可能導致雌性鹿茸生長。

CCND1上游的雄激素受體親和序列5'TGTTCT-3'

　　總而言之，該研究結果揭示了北極鹿的廣泛特征的遺傳基礎，并為理解哺乳動物對北極的適應性策略提供了基礎。比較基因組研究和功能分析鑒定了許多基因，這些基因具有與晝夜節律性心律失常，維生素D代謝，順應性和鹿茸生長相關的功能，以及獨特突變和/或正選擇的基因。該結果可能提供與人類健康相關的見解，包括馴鹿中維生素D的遺傳反應如何影響骨骼和脂肪代謝以及基因如何影響晝夜節律性心律失常。

　　參考信息：

　　https://science.sciencemag.org/content/364/6446/eaav6312

　　3.反芻動物頭帶的遺傳基礎和快速鹿角再生

　　反芻動物是現存的唯一具有骨顱附屬物的哺乳動物，統稱為頭帶。 Osseous頭飾專門用于pecorans（所有反芻動物，不包括Tragulidae），一組輻射約2330萬至2080萬年（Ma）。 pecoran組中的每個家族都表現出明顯的頭帶形態。長頸科的ossicones由僅由皮膚和頭發覆蓋的骨質突起組成。 Antilocapridae的pronghorns由皮膚，頭發和每年落葉叉狀角鞘覆蓋的骨頭組成。牛科的角也有一個骨頭核心，但被一個非堅硬的，非褶皺的角質鞘覆蓋。鹿科的鹿角是完全落葉的，每年作為前額顱骨的骨骼生長而再生。

在Ruminantia和Cervidae中沒有頭帶的物種的系統發育基因組

　　盡管存在這種變化，但所有這些類型的pecoran頭帶（包括已滅絕物種的頭飾）都具有共同的特征，例如它們的額顱位置和被外膜覆蓋的骨芯。Headgear的進化起源，特別是頭帶是否只進化過一次或多次，已經成為一個相當大的科學討論問題。由于對反芻動物的家族級系統發育缺乏共識，解決這一問題已證明具有挑戰性。

反芻動物頭帶的基因募集和細胞起源

　　對于該研究，從牛科動物和鹿科動物中獲得了221個轉錄組，并對三個基因組進行了測序，這三個基因組代表了兩個聚合缺乏頭帶的pecoran譜系。將數據與大量反芻動物基因組進行比較，檢測出具有頭帶（PWH）的pecorans中的遺傳變化。

在cervids中陽性選擇的腫瘤抑制基因的實例

　　該研究發現角和鹿角中高度或特異性表達的基因最常在骨，皮膚，神經組織和睪丸中共表達。 PWH中正向選擇的許多基因（例如，OLIG1，OTOP3），與高度保守的元件相關的PWH特異性基因（例如，HOXD基因簇，SNAI2，TWIST1，SOX9），以及在頭帶中高度或特異性表達的基因（RXFP2，SOX10） ，NGFR）參與神經功能。此外，在頭帶和睪丸中特異性表達的RXFP2在Moschidae和Hydropotinae的無頭部譜系中會聚。鹿茸的表達譜與骨癌相比與正常骨組織表達譜更相關。在cervids中選擇了許多原癌基因（FOS，REL，FAM83A）和腫瘤抑制基因，特別是幾種輔因子基因（PML，NMT2和CD2AP）和調節基因（ELOVL6，S100A8，ISG15，CNOT3和CCDC69）。 ）p53腫瘤抑制因子，提示這些適應性改變可能增強鹿的抗癌能力。

文章總結

　　總而言之，該研究從系統發育，基因表達譜等方面支持反芻動物頭帶的單一進化起源。 Pecoran頭帶可能與神經嵴干細胞具有共同的細胞來源，并且軟骨和神經譜系的確定對于頭帶發育很重要。此外，腫瘤抑制因子和原癌基因的cervid特異性遺傳變化暗示鹿茸組織的再生特性。該研究揭示了反芻動物頭帶的進化，發育和組織學起源以及鹿角再生的遺傳機制。已鑒定的基因及其獨特的突變為未來頭帶發育，哺乳動物器官再生和腫瘤發生的功能研究提供了指導。

　　參考信息：

　　https://science.sciencemag.org/content/364/6446/eaav6335