五步蛇基因组文章解读

admin 15 2025-01-29 编辑

 

山舞银蛇,原驰蜡象

今天给大家分享一篇16年发表在nature communications上的文章,研究的是五步蛇的进化。

一、文章综述

蛇跟其他四足动物相比有很多的特征和较为丰富的基因组进化历史,但是这些目前尚不清楚。文章构建了一个高质量的五步蛇基因组,并通过和其他代表的蛇类还有蜥蜴进行了比较基因组学分析,重点研究了进化中TE的影响,TE影响的脑特异性基因的表达等。另外还检测到蛇明显的适应化的进化,包括和毒液、热敏感基因的的显著变化,还有跟视觉相关基因的退化等。文章还找了Hox、Tbx等和四肢发育相关的基因处于退化状态,说明蛇之前也是有四肢的,当然这一点被化石也证明过。最后,文章推测ZW性染色体发生了至少三次重组抑制事件。种种这些研究对于蛇物种的进一步理解和研究都有重要的意义。

二、背景介绍

世界上一共有3400种蛇,除了极端环境之外,绝大地区都有蛇的分布。蛇的进化过程存在很多的变化,比如身体结构的变化、毒液的变化、生殖系统的变化等,整体这些变化使得其和蜥蜴看起来具有明显的区别。从化石中可以得到的证据是曾经的蛇已经有较为长的身体,这是为了挖洞爬行,但是其之后前肢丢掉了,后肢尚存。目前蟒蛇还有退化的后肢,然后进化较快的蛇已经丢掉了它。

蛇也经常被用来作为四肢进化研究、毒液研究、性染色体进化研究的模型。五步蛇不同于其他蛇,其有较为明显的ZW染色体、明显的尖牙,剧毒(五步蛇嘛),这些是跟其他蛇不同的。

为此,文章利用其和已发表的蟒蛇2个、眼镜王蛇、还有蜥蜴进行了比较基因组学分析。发现蛇和蜥蜴相比GC含量明显不同,这大概是因为TE家族导致的。文章也找到了适应性相关的基因,比如毒素相关的基因,还有就是跟四肢发育、视觉等相关基因的放松选择等。整体推测蛇的ZW染色体上至少发生3次重组抑制事件。

三、研究结果

1蛇基因组的进化

文章测了一个公蛇(114x),还有一个母蛇(238x),估计五步蛇基因组大小为1.43Gb。文章利用公蛇的小片段read进行contig的构建,然后利用母蛇的长read进行scaffold的构建。这样得到的组装结果为contig N50为22.42Kb,scaffold N50 为2.12Mb,完整度为94%。通过利用脊椎动物的蛋白和五步蛇8个组织的转录组结合进行基因预测,一共得到21194个基因。然后利用单拷贝基因(5353)个进行了进化树构建,可以得知五步蛇跟蟒蛇在66.9百万年前分化。整体进化和基因组特征见下图。

五步蛇的TE比例大约为47.47%,和其他蛇不同(33.95%~39.59%),这不能归结于这个基因组质量的提升。这些TE中大多为LINE(13.84%)、DNA 转座子(7.96%),整体情况可以看下图。同时,boa和python经历了各自的L2、CR1的扩张,所以他们整体的LINE比例和五步蛇和蜥蜴相比较为相似。 研究人员发现蛇类基因组中的转座子呈现物种特异性的扩张。转座子在五步蛇的脑组织中特异性表达,并和邻近基因的表达相关联。这些基因显著富集于环境应激和脑信号通路。以上结果表明在漫长的演化过程中,转座子对于蛇类基因组的塑造和基因功能的调控发挥着重要作用。

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基因家族和基因的进化

文章通过对不同蛇类基因家族、功能基因的比较分析,发现了许多和蛇类适应性进化以及功能退化相关的遗传变化。其中Hox基因及其他肢体发育、体节发生相关基因的进化分析为之前的化石发现提供了有力的分子证据。此外,和视觉、听觉相关的基因在蛇类中都发生了不同程度的丢失和退化。与之相对的是,嗅觉受体基因在蛇类中发生了特异性的扩张,红外受体基因在五步蛇中发生了适应性进化。这些功能基因的变化可能与蛇的祖先从地底转移到地表,适应不同环境相关。

3性染色的进化

利用测序序列在雌雄基因组上的深度差异和特异性,研究人员获得了五步蛇的Z、W性染色体序列。推测祖先的性染色体至少经历了三次重组抑制事件,进而导致W染色体的退化,从而解释了五步蛇高度分化异型性染色体的演化历程。

参考文献

Yin W, Wang Z J, Li Q Y, et al. Evolutionary trajectories of snake genes and genomes revealed by comparative analyses of five-pacer viper[J]. Nature Communications, 2016, 7:13107.


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