从海洋到陆地，生命如何演化？ - 海洋生物进化

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原创 Cell Press CellPress细胞科学 

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生命科学 Life science

陆地生命所需的祖先基因为何？这些基因是何时在进化时期出现的？这两个问题目前都没有较好的答案。本期介绍的这几篇发表在Cell上的论文，利用系统发育、基因测序和进化发育生物学方法，对几种鱼类进行遗传分析，从而为现代陆地四足动物的进化提供了新的见解。研究范围涵盖了与肺功能、陆地运动、四足动物肢体发育有关的基因。这些发现有助于我们为祖先迁出海洋的遗传史，补写一个令人激动的开篇。

斑马鱼形成肢体状骨骼结构的潜在发育潜力

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脊椎动物进化出了各种各样的附肢，它们有着不同的形式与功能。四足动物的肢体通过关节连接多个软骨内长骨，并在专门的滑膜关节的帮助下进行活动。基于这个结构，肢体可以通过减少手指、增加指骨、改变腕部和踝部骨骼、调整各元件比例、彻底的肢体丧失等不同方式，进化出不同的结构。而真骨鱼类的进化却与之相反，其胸骨附肢的骨骼模式几乎不变，在∼30000种真骨鱼中，虽谱系不同，但胸骨附肢都显示出一致的排列。真骨鱼胸鳍由皮质鳍条组成，其底部由一个微小的内骨骼支撑。这种内骨骼通常由四根长骨组成，称为近端桡骨，沿前后（AP）轴并排排列，其后是远端的小结节状远端桡骨。目前已知的真骨鱼物种，在近端—远端（PD）轴显示的长骨都不会超过一根。真骨鱼鳍和四足动物肢体的两种不同结构在各自支系中分别保持了2.5亿年和3.5亿年以上。

附肢结构的变化是脊椎动物进化中关键转变的基础。本研究发现了斑马鱼的突变体，其胸鳍上有多余的长骨形成。这些新的骨骼与肌肉组织相融合，形成关节，并与邻近的元件连接。这种表型是由于激活了之前未被识别的附件模式调节因子vav2和waslb的突变所致，这两种调控因子在一个共同的通路中发挥作用。这条通路是脊椎动物附肢发育所必需的，而小鼠Wasl的缺失会导致类似于小鼠HOX突变体的缺陷。多余骨的形成需要Hox11功能，而vav2/Was1通路的突变驱动hoxa11b表达增强，这表明其与前臂发育同源。本研究揭示了鳍的一种潜在的、类似肢体的模式能力，这种能力由简单的遗传扰动激活。

研究亮点

真骨鱼有简单的鳍内骨骼，但远没有四肢中的那样精细。

Vav2/walb通路中的突变导致鳍中形成了新的末端元件。

这些新的“中间”鳍骨与四肢前臂类似，需要Hox11功能。

硬骨鱼有潜在的肢体状HOX程序，可以促进内骨骼的精细化发展。

通过单基因突变，研究人员培养了一种斑马鱼突变体，其胸鳍上有新的骨骼、关节和肌肉附着物，显示出四肢状附肢的迹象。新培养出的骨骼，和硬骨鱼和四足动物的共同祖先中发现的结构相类似。目前认为这种共同祖先已在现代真骨鱼的进化中消失。这些发现表明，真骨鱼可能含有潜在的遗传机制，至少可以发育出四足动物肢体所必需的一些特征。

Dr. Matthew Harris

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哈佛医学院遗传学副教授、波士顿儿童医院整形外科医师

“我们实际上能够通过这种斑马鱼证明，这些突变正在激活那些被认为是只存在于肢体中的程序。因此我们的研究不仅发现了真骨鱼的新表型，还开启了曾经被认为只与肢体相关的祖先模式。”

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在非真骨鱼中追踪脊椎动物登陆的遗传足迹

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泥盆纪水陆过渡是脊椎动物演化史上最重要的事件之一。在这一转变过程中，各种器官都经历了适应性变化，尤其是与运动和呼吸系统相关的变化。研究在四足动物起源期间发生的基因组变化是很难的一件事，因为当时经历水陆过渡的动物业已灭绝。然而，长期以来，人们一直假定许多新变化都是从脊椎动物（例如辐鳍鱼、肉鳍鱼和四足动物）的祖先中进化而来，因此它们应该仍然存在于一些现存的辐鳍鱼纲的基本类群中。例如，四足动物赖以生存的肺呼吸系统也存在于腔棘鱼、肺鱼等几种肉鳍鱼类，以及早期辐鳍鱼类群之一的多鳍鱼目之中。从解剖结构来讲，肺在腹侧成对分布，这起源于鳃后面的咽部。虽然大多数辐鳍鱼的肺已被鱼鳔取而代之，但几十年前就已经提出了茎颌脊椎动物中存在肺或其同源器官的假说。很明显，肺应该至少在志留纪晚期，起源于辐鳍鱼类和肉鳍鱼类的最后一个共同祖先（LCA），距离软骨鱼和骨鱼的LCA（推测是上奥陶世）不是很远。因此，我们可以通过比较现有的发育途径来获得在这一重大转变中获得进化的性状的遗传基础。这些途径可以反映祖先谱系中的发育可塑性。这种对早期分化的辐鳍鱼谱系中现存物种的基因组研究或能揭示水陆过渡过程中潜在特征的进化基因调控过程。

辐鳍鱼是一类极其多样化的脊椎动物，有超过32000种，约占现存脊椎动物物种的一半。约95%的辐鳍鱼属于真骨鱼类，最初在中生代通过适应性辐射而多样化，之后又在新生代经历了进一步的多样化。除了真骨鱼类之外，现存的辐鳍鱼还包括枝鳍鱼类、软骨硬鳞鱼类、全骨鱼类这三种截然不同的辐鳍鱼类群。由于它们古老的进化起源和属于辐鳍鱼类和肉鳍鱼类共同祖先的特征，通常被认为是脊椎动物中的“活化石”。这些物种中的许多都具有很迷人的特征，这些特征与脊椎动物陆系化过程中的呼吸有关，例如腹侧成对肺。现存的枝鳍鱼类，比如多鳍鱼和芦鳗，也具有与肉鳍鱼类相似的形态，比如细长的身体、背部的成对大气孔、以及发达的胸鳍分叶部分。这些相似之处要么来自于趋同进化，要么继承于有颌类动物的原始形态。这些特征将非真骨类辐鳍鱼置于系统发育的位置，这对于一些比较进化和发育研究至关重要，有助于阐明陆地脊椎动物进化过程中发生的一些关键转变。因此，为了阐明这些特征在早期辐鳍鱼中的遗传基础，我们探究了塞内加尔多鳍鱼（Polypterus Senegalus）的染色体水平组装，并绘制了美国匙吻鲟（Polyodon Spathula）、弓鳍鱼（Amia Calva）和鳄雀鳝（Atractosteus Spatula）的基因组组装，这些基因组组合涵盖了所有三个非真骨鱼谱系。我们的分析表明，这些物种表现出许多肉鳍鱼和辐鳍鱼的镶嵌基因组特征，特别是与肢体发育的调控元件有关。之后为确认肺和鱼囊之间的同源性，我们进行了基于转录组的研究，并揭示了早期辐鳍鱼中存在的肺功能相关基因。

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丰富的化石证据表明，许多与陆地进化相关的特征和功能早在肉鳍鱼和辐鳍鱼类的祖先出现之前就存在了。特别是在这些鱼类中存在许多肢体发育的调控元件，这支持了相关的祖先调控网络在四足动物起源之前就已出现的假说。功能实验证明，有颌类脊椎动物的祖先已经拥有心肺系统的潜在基因网络，其中高度保守的一个元件在心血管发育中的重要作用。

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研究亮点

四种非真骨类辐鳍鱼的从头组装。

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基本辐鳍鱼类具有关键的肢体发育调控元件。

早期辐鳍鱼的肺相关基因是肺起源的关键。

呼吸进化早期心肺系统的共同进化。

本研究团队评估了四种非真骨类辐鳍鱼的基因组组装，用于探究在这些古老鱼类谱系基因中是否可以找到四足动物关键特征的蓝图。作者发现，在这些鱼类中存在许多调控肢体发育的元件，和肺相关功能基因。有颌类脊椎动物已经拥有支持呼吸空气所需心肺系统的潜在基因网络。总而言之，这些结果展示了祖先鱼类物种中的一系列遗传特征，这些特征可能在四足动物进化很久之前就对海陆过渡做出了贡献。

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非洲肺鱼基因组揭示脊椎动物从水到陆的过渡

古生代地球大气含氧量的不断增加，为陆生动物的出现创造了条件。在硬骨鱼的祖先首次显示出呼吸空气的能力后，四足动物的祖先成功地实现了在陆地上生活。脊椎动物从水到陆的过渡需要一系列创新性的进化。呼吸系统、感觉系统、运动系统、循环系统等都必须进行改造，以适应陆地环境。近几十年来，古生物学研究逐渐澄清了脊椎动物登上陆地的过程。作为一种重要的补充手段，对四足动物及其现存姊妹系的比较基因组学研究将为揭示这一转变过程和潜在的分子机制提供关键的视角。四足动物属于四足形类，它和空棘鱼类以及肺鱼类，是现存的三个肉鳍鱼类（裂鳍鱼类）谱系。肺鱼作为四足动物现存最近的近亲，突出了留在水中的肉鳍鱼类的祖先状态，是理解这些转变的遗传基础和进化过程的桥梁。然而，肺鱼基因组规模巨大，从40~130千兆比特（GB）不等，这给相关研究带来了巨大的挑战。在这项研究中，我们成功地获得了非洲肺鱼（Protopterus Annecten）40 GB染色体水平的基因组组合，具有高度的完整性和连续性，并对其进行了系统的分析，从基因组序列、跨越大多数组织的表达谱到一些基因和调控元件的实验验证，以探索∼4.2亿年前（Ma）从水到陆地过渡的进化遗传过程。

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这是迄今报道的最大的基因组组装，其重叠群和染色体N50分别为1.60Mb和2.81GB。肺鱼基因组的大小主要由反转录转座子决定。超长的基因表现出与其他基因相似的表达水平，这表明肺鱼进化出了高转录效率，以保持基因表达的平衡。结合转录组和实验数据，研究人员确定了与陆地适应特征相关的潜在基因和调控元件，如肺表面活性物质、抗焦虑能力、五趾型肢和咽部重塑。我们的结果为理解从鱼类到人类的进化路径提供了洞察力和关键学术参考。

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研究亮点

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迄今为止报道的最大脊椎动物基因组的染色体水平组装。

转座子的不断扩张造就了大规模的肺鱼基因组。

基因变化增强了呼吸、运动和缓解焦虑的能力。

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从硬骨鱼到肺鱼，再到四足动物，三个基因创新步骤。

肺鱼是现代四足动物现存的最接近的近亲，它们保留了与水到陆过渡有关的祖先特征。本研究报道了40GB染色体水平的非洲肺鱼（Protopterus Annecten）基因组组装，这是迄今为止最大的基因组组装。研究人员确定了陆地适应的基因变化，如增强呼吸、运动和减轻焦虑。根据这些基因组结果，作者提出了三个关键的基因创新步骤，完成这三个步骤需要从硬骨鱼进化到肺鱼，并最终进化为四足动物。