Nature：鸭嘴兽进化！

2021-01-08 生物世界

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鸭嘴兽因为具有鸭子般的嘴、鼹鼠般的身体和河狸般的尾巴，曾一度被认为是一种生物演化的奇迹。它与同在澳洲大陆的针鼹一起，组成了哺乳动物原兽亚纲的单孔目。

来源 | BioArt

鸭嘴兽 因为具有鸭子般的嘴、鼹鼠般的身体和河狸般的尾巴，曾一度被认为是一种生物演化的奇迹。它与同在澳洲大陆的针鼹一起，组成了哺乳动物原兽亚纲的单孔目。虽然针鼹的长相略微“正常”，像一只刺猬，但是和鸭嘴兽一样，它们都有着不少令人瞠目结舌的特性。

其中最奇特的是虽然作为哺乳动物，它们却像鸟类一样通过生蛋来繁殖后代，同时这类物种也能够分泌乳汁并哺乳后代。与其他哺乳动物相比，单孔目物种的特殊性还在于它们具有的性染色体结构：其他哺乳动物包括人类只有一对性染色体（雄性为XY，雌性XX），而它们则有五对共十条性染色体。

另外，作为最早分化形成的哺乳动物物种，单孔目处在哺乳动物的演化过程中一个非常重要的位置，是我们了解哺乳动物演化历史的关键分支。这些独特的生物学特性和演化地位一直吸引着科学家对它们的性状特征起源进行研究。

针鼹（Ken Hurley供图）

2021年1月6日，深圳华大生命科学研究院生物多样性团队、哥本哈根大学、浙江大学、澳大利亚阿德莱德大学等单位联合在Nature上发表了题为： Platypus and echidna genomes reveal mammalian biology and evolution 的研究论文。

该研究报道了单孔目基因组的最新研究结果，研究团队发表了 鸭嘴兽 和 短鼻针鼹 的基因组，并利用其信息对哺乳动物的演化以及单孔目性染色体演化进行了分析，为深入了解哺乳动物的重要演化历程提供了新的结果。

论文第一作者为周旸博士，深圳华大生命科学研究院、昆明动物研究所及哥本哈根大学张国捷教授、浙江大学周琦教授和阿德莱德大学Frank Grutzner教授共同为文章的通讯作者。

哺乳动物的演化

哺乳动物祖先的外观形状已经通过化石证据部分还原出来，但是哺乳动物祖先染色体的数目一直都是一个谜。得益于本研究产生的两个高质量的单孔目基因组，研究团队首次构建出2n=60条哺乳动物的祖先染色体，为人们研究哺乳动物早期演化过程中基因组的变化提供了重要信息。

图：哺乳动物染色体演化历程简图（周旸等绘）

估计了现代哺乳动物的共同祖先距今的大致年代1.8亿年前，之后大约在1.6亿年前有兽亚纲哺乳动物共同的祖先出现，染色体数为36条，在8千万年有袋类的祖先出现，染色体数为14条。

性染色体演化

人只有一对XX或者XY性染色体，然而单孔目却拥有5对也就是十条XX/XY性染色体。那么，这么多的性染色体是如何产生的，其中又隐藏着什么演化的故事呢？

在本研究中，研究团队发现单孔目物种的5条X染色体与其他绝大多数哺乳动物的X染色体没有序列相似性，反而部分跟鸟类的性染色体同源。通过与多个物种之间的比较，团队发现单孔目的5对性染色体更可能是通过多对古老的常染色体相互之间发生非同源的片段交换，即转座异位事件产生，而并非之前所假设的通过两个古老的单孔目群体的杂交产生，或者由1条大的祖先性染色体断裂形成。

图：多对性染色体的起源示意图，染色体之间多次发生了转座易位事件（周旸绘）

与其他绝大多数物种的性染色体类似，由于Y染色体在长期演化过程中逐渐退化，单孔目的X、Y染色体之间存在着长度、基因数目等方面的差异。通过X、Y染色体之间的比较，研究发现在单孔目的5条X染色体（依次编号1-5）中，最古老的是X1染色体（约1.75亿年前），其次是X2、X3、X5，最年轻的是X4——这个在鸭嘴兽和针鼹分化之后才各自独立演化出来的性染色体。与之一致的是，团队在X1上发现了单孔目潜在的性别决定基因AMHX；但出乎意料的是，与AMHX同源的AMHY基因，并不位于与X1配对的Y1上，而位于Y5染色体上，同时绝大多数的X1基因的同源基因也处在Y5上。由此研究团队推测，在单孔目性染色体演化的初期，5对性染色体可能在减数分裂时会形成一个首尾相接的非常罕见的环状结构。然而这个结构随着Y染色体的进一步退化最终断开，形成了现在人们观测到的链状结构。

图：单孔目动物祖先的细胞进行减数分裂时染色体配对可能形成的环状结构（左）和现代单孔目动物细胞减数分裂时染色体配对呈现的线性排列（右）的示意图（周旸绘）

另外团队发现单孔目的多对性染色体之间存在着明显高于常染色体的染色体间的相互作用，这一现象可能是与单孔目多对性染色体的形成有关。

单孔目重要和有趣的基因

如前文所述，单孔目是一类卵生哺乳动物，那么这一特征是如何体现在它们基因组中的呢？研究团队发现单孔目，虽然较爬行类和鸟类来说丢掉了一些基因，但仍保留着部分参与到卵形成的基因，如编码参与到卵黄营养物质运输过程分子的 vitellogenin 卵黄蛋白原基因；而这些基因在人、考拉等哺乳动物中已经完全丢失。同时单孔目物种已经拥有了一些参与到泌乳过程的基因，如乳汁中主要成分之一的酪蛋白的 casein 酪蛋白基因。这说明这些泌乳相关的基因是从所有现生哺乳动物的祖先开始演化形成。

成年鸭嘴兽和针鼹跟鸡一样没有牙齿，它们的胃也基本已经退化了。研究团队发现许多牙齿和胃发育相关的基因在鸭嘴兽和针鼹都丢失了。比如参与到牙齿生长过程中牙齿形成、生长以及牙釉基质矿质化的 odontogenic ameloblast-associated 基因，以及引导ATP酶将氢离子泵入胃中、刺激胃酸分泌过程的 gastrin 胃泌素基因，这两个基因在两个单孔目中都已经发生了丢失。

尽管鸭嘴兽和针鼹同属于单孔目，但两类物种生活在截然不同的环境里。鸭嘴兽是一种半水生的动物，以水中的小型无脊椎动物为食，主要依靠水中的电流信号觅食；而针鼹是陆生动物，以土中的白蚁等为食，主要依赖嗅觉寻找食物。因此二者在嗅觉味觉等系统的发达程度上也有所差异，这点能够从二者主嗅球和辅助嗅球的大小上反映出来：鸭嘴兽主要依靠水中的电流信号寻找食物，而针鼹则主要需要靠嗅觉寻找生活在地下的白蚁。于此相对应的，团队发现针鼹的嗅觉受体基因明显多于鸭嘴兽和其他哺乳动物，而犁鼻器受体基因的数量则是在鸭嘴兽中更多。另外值得一提的是，犁鼻器受体在其他的一些夜行性动物（如狐猴）中也被发现有所扩张，因此它们在鸭嘴兽中的扩张也可能与其在水下活动时会将眼睛等器官闭上的行为有关。另外单孔目中苦味受体基因的数量明显少于人、小鼠等哺乳动物。这些差异可能是两个物种在适应不同生态环境的过程中分化的结果。

“ 我们这次构建出的哺乳动物祖先序列对于理解包括人在内的哺乳类如何发生辐射性的适应演化提供了重要的参考信息。 ”论文第一作者，丹麦哥本哈根大学和深圳华大生命科学研究院联合培养的周旸博士表示，“ 现代人有46条染色体，而我们和鸭嘴兽的共同祖先很可能有60条染色体，这些染色体经过了很多次的变异才形成了今天的状态。 ”

“ 鸭嘴兽和针鼹等单孔类哺乳动物是非常古老的类群，它们与其他所有现生哺乳动物在演化上是姐妹群的关系，并于约1.8亿年前与其他哺乳动物分化开来。它们的基因组数据可以帮助我们了解1.8亿年前哺乳动物的共同祖先，以及这1.8亿年间不同哺乳动物类群在演化过程中各自发生了什么变化。 ”论文的通讯作者之一，澳大利亚的Frank Grutzner教授如是说。

该研究还揭示了哺乳动物性别染色体演化的出人意料的复杂模式。“ 我们都知道，人和其他绝大多数哺乳动物通过X和Y两条染色体决定性别。XY染色体决定了雄性，XX则对应雌性。 ”论文的另一位通讯作者，浙江大学生命科学研究院的周琦教授说，“ 但我们的研究显示，单孔类的性染色体与包括人在内的大多数哺乳动物的性染色体没有任何同源关系，反而和鸟类更接近。也就是说，我们与鸭嘴兽是在祖先分歧之后的大约数千万年内各自独立演化出了不同的性染色体系统。 ”

“ 事实上，鸭嘴兽有5对性染色体，也就是10条。而我们只有1对，也就是2条。 ”周旸补充说，“ 我们研究显示，单孔类的性染色体很可能经过了非常复杂的演化。”

此外，该研究还揭示了鸭嘴兽和针鼹在演化过程中发生的一系列特殊事件，如与牙齿有关的部分基因丢失从分子机制上找了这两种动物成年后完全失去牙齿的原因，而另一些保留的与卵形成有关的基因则提示了单孔类作为少数卵生哺乳类动物的线索。研究还发现编码哺乳动物的乳汁主要蛋白成分的基因在单孔目里已经存在，说明泌乳和乳汁的性状在所有现生哺乳动物的最近共同祖先就已经演化形成。

“ 通过最新的测序技术结合分子标记图谱，我们可以获得质量更高的染色体级别的基因组数据，通过我们建立的算法，可以很系统的开展比较分析，帮助我们更好地理解物种演化过程中的分子机制。 ”该研究的通讯作者，深圳华大生命科学研究院、中国科学院昆明动物研究所及丹麦哥本哈根大学的张国捷教授总结说，“ 这一研究不仅揭示了精细的染色体结构变异过程如何影响哺乳动物早期演化过程，同时也解答了许多单孔目物种这一特殊哺乳动物类群许多特殊生物学性状的产生机制。”

值得一提的是，同日，Nature的共同通讯作者周琦教授在Genome Research以及GigaScience上发表了两篇文章，分别对两项鸟类—— 澳洲鸸鹋 和 北京鸭 的性染色体进行了研究，展现了与哺乳类完全独立的性染色体演化模式。

澳洲鸸鹋和北京鸭为两类广泛养殖的家禽, 其性染色体分别代表了鸟类性染色体演化的早期，中期，而人类，鸡，果蝇等物种的性染色体则代表了演化的晚期，即X和Y染色体或者鸟类中的Z和W染色体序列完全分化的状态。新组装的鸸鹋的基因组序列揭示其性染色体与其古老的常染色体祖先差别不大，超过2/3的区域依然保持着同源重组和高度序列相似性，即使是在重组已经抑制的区域，仍然保留了大量的有转录活性的基因（下图）。尽管如此，鸸鹋性染色体的染色体三维构象和染色体区域内的相互作用发生了变化，这一结果提示性染色体的演化，整体构象包括大范围空间结构域（“topologically associated domain”）的变化，可能是基因组序列和基因表达变化的前提基础，为性染色体退化的分子证据提供了新的认识。