鸚鵡螺基因組以“The genome of Nautilus pompilius illuminates eye evolution and biomineralization”為題，在國(guó)際著名期刊《Nature Ecology & Evolution》（IF：12.544）上在線發(fā)表。文中通過三代PacBio技術(shù)成功構(gòu)建了完整的鸚鵡螺基因組，并揭示了鸚鵡螺針孔眼形成和生物礦化的潛在機(jī)制。本研究為現(xiàn)存的頭足類動(dòng)物重建進(jìn)化情景和基因組變化特征提供了寶貴資源。
一、主要研究結(jié)果
1. 鸚鵡螺基因組構(gòu)建
通過81.8X Illumina + 112.5X PacBio，組裝 730.58 Mb 鸚鵡螺基因組（survey預(yù)估753.09 Mb），contigN50=1.1Mb，BUSCO評(píng)估為 91.31% 。
鸚鵡螺是迄今為止被測(cè)序的頭足類動(dòng)物中基因組最小的物種（圖1）。通過多種方式注釋17,710個(gè)編碼蛋白基因（BUSCO為 93.46%），基因數(shù)為章魚和魷魚的52.6–60.5%。
包括轉(zhuǎn)座子（transposable elements，TEs）在內(nèi)的重復(fù)因子是構(gòu)成基因組結(jié)構(gòu)和進(jìn)化的驅(qū)動(dòng)力，比較分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)鸚鵡螺中TEs的組成與coleoid譜系明顯不同（圖2a）。在頭足類動(dòng)物中可以觀察到逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子(LINE和LTR)爆發(fā)，鸚鵡螺基因組中沒有最近的TEs擴(kuò)增（圖2b），證實(shí)了反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在推動(dòng)其基因組進(jìn)化中的關(guān)鍵作用。并 通過Tajima’s相對(duì)速率檢驗(yàn)等方式檢測(cè)發(fā)現(xiàn)鸚鵡螺編碼區(qū)的進(jìn)化速率較慢。
基因家族分析顯示鸚鵡螺中 發(fā)生了大量的收縮（204個(gè)基因家族收縮，9個(gè)基因家族擴(kuò)張）。對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)發(fā)生和適應(yīng)性具有功能意義的鋅指轉(zhuǎn)錄因子和原鈣粘蛋在章魚基因組中大量擴(kuò)張，而鸚鵡螺基因組中沒有。鸚鵡螺基因組中特異性擴(kuò)增了18個(gè)著絲粒蛋白B（CENPB）結(jié)構(gòu)域的基因。CENPB通過抑制酵母或人類的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子和著絲粒的形成，在宿主基因組的完整性和進(jìn)化中起著重要的作用。因此，CENPB擴(kuò)增可能是維持古基因組完整性的因素。
2. 系統(tǒng)發(fā)育分析和種群規(guī)模估計(jì)
對(duì) 16個(gè)頭足類物種 基因組構(gòu)建進(jìn)化樹，結(jié)果證實(shí)鸚鵡螺是coleoids的姐妹類群，它們的分化時(shí)間在志留紀(jì)-泥盆紀(jì)邊界附近（4.226億年前）（圖2c），古軟體動(dòng)物的分化和物種形成始于埃迪卡拉紀(jì)時(shí)期，在此期間，早期后生動(dòng)物出現(xiàn)了逐漸多樣化和生物新穎性。
種群歷史動(dòng)態(tài)分析顯示，在過去的幾百萬年中，兩個(gè)重要的環(huán)境演化事件對(duì)鸚鵡螺 種群的形成產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。特別是在中新世之交（22.6百萬年前），鸚鵡螺種群呈逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)。然而它們的上升在中更新世過渡的早期階段停止，這與基本的氣候變化相一致。
在38萬年前鸚鵡螺種群數(shù)目銳減（接近于40萬年前左右的中布容事件（MBE）），表明鸚鵡螺對(duì)海洋環(huán)境變動(dòng)非常敏感。同時(shí)，MBE也是夏威夷短尾烏賊（ Euprymna scolopes）和真蛸（Octopus vulgaris）等coleoid動(dòng)物種群擴(kuò)張的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)（圖2d）。
3. Homeobox基因聚集分析
Coleoids的一個(gè)突出改變是失去外殼，外殼被內(nèi)化為一個(gè)浮力補(bǔ)償裝置，推動(dòng)了其顯著的多樣化。同源異型盒（Homeobox）基因是后生動(dòng)物進(jìn)化過程中軀體發(fā)育和組織劃分所必需的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，因此通過比較多個(gè)譜系中Hox簇的組織結(jié)構(gòu)，探討頭足類體型進(jìn)化的遺傳基礎(chǔ)具有重要的意義。研究結(jié)果顯示鸚鵡螺基因組包含一套完整的軟體動(dòng)物Hox基因（圖3）。而夏威夷短尾烏賊中的Hox2缺失、雙斑蛸（Octopus bimaculoides）中的Hox2–Hox4缺失、加利福尼亞海兔（Aplysia californica；一種沒有外殼的腹足動(dòng)物）Hox2，Hox4和Antp缺失（圖3），表明Hox簇完整性的破壞可能與軟體動(dòng)物譜系中外殼的進(jìn)化丟失有關(guān)。
4. 針孔眼的演變
針孔眼是鸚鵡螺最奇特、最顯著的特征之一，在鸚鵡螺的視網(wǎng)膜上，用可調(diào)節(jié)的瞳孔代替晶狀體形成一個(gè)相對(duì)暗淡的圖像。與復(fù)雜的Coleoid照相眼睛相比，針孔眼相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)是講述眼睛和/或晶狀體形成起源的良好模型。對(duì)控制晶狀體形成的核心調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子的基因組搜索顯示，幾乎所有這些核心調(diào)控因子，包括PAX6、SIX3/6和SOX2，都存在于鸚鵡螺基因組中（圖4a），與此前古生物學(xué)研究報(bào)道相符（早寒武世就出現(xiàn)了帶有晶狀體的眼睛化石），結(jié)果支持了晶狀體的古老起源。
系統(tǒng)發(fā)育分析表明，軟體動(dòng)物Nrl/Mafa-Mafc屬于大型Maf超家族，其直系同源物在脊椎動(dòng)物中可分為Mafa、Mafb、c-Maf和Nrl四個(gè)分支（圖4b）。 Maf大家族成員在表達(dá)上具有晶狀體特異性的觀點(diǎn)，并且在脊椎動(dòng)物的晶狀體誘導(dǎo)和分化中起著核心作用。Nrl或c-Maf的補(bǔ)充可以增強(qiáng)PAX6誘導(dǎo)的晶體蛋白（光折射所需的最豐富的晶狀體結(jié)構(gòu)蛋白）。比較結(jié)果表明，鸚鵡螺基因組中的 Nrl/Maf基因具有譜系特異性缺失（圖4b）。在coleoids中，S-晶體蛋白譜系特異性擴(kuò)增，而在鸚鵡螺基因組中沒有S-晶體蛋白基因（圖4c）。對(duì)晶體蛋白近端上游序列轉(zhuǎn)錄調(diào)控位點(diǎn)的研究表明，coleoids中的NRL/MAF結(jié)合motif比在鸚鵡螺中更為豐富。以上結(jié)果說明，鸚鵡螺基因組中晶狀體發(fā)育的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子NRL/Maf的缺失和晶狀體形成蛋白的基因家族收縮，共同促進(jìn)了鸚鵡螺針孔眼的形成。
鸚鵡螺是一種夜行性食肉動(dòng)物，具有夜間向淺水垂直深度遷移的特征 ，光感應(yīng)和空間視覺是完成這項(xiàng)任務(wù)的基本前提。系統(tǒng)發(fā)育證據(jù)表明鸚鵡螺基因組編碼一個(gè)光受體視紫紅質(zhì)基因和一個(gè)視黃色素基因，是已知后生動(dòng)物中最小的視紫紅質(zhì)基因數(shù)目（圖4a）。表達(dá)模式分析顯示r-視蛋白（r-opsin）及其相關(guān)信號(hào)級(jí)聯(lián)主要在眼睛中表達(dá)（圖5），表明r-視蛋白（r-opsin）的主要作用在于介導(dǎo)鸚鵡螺 中的橫紋肌節(jié)光轉(zhuǎn)導(dǎo)。鸚鵡螺僅保留最簡(jiǎn)單的光信號(hào)傳導(dǎo)通路和唯一的感光分子r-opsin，使其缺乏對(duì)顏色的分辨能力，成為“色盲”。
由于深海水域亮度的急劇下降，對(duì)垂直遷移的海洋動(dòng)物來說，光強(qiáng)度的感知更為關(guān)鍵 。視蛋白對(duì)光的敏感性很大程度上取決于11-順式視網(wǎng)膜的生色團(tuán)，其異構(gòu)化通常導(dǎo)致構(gòu)象變化和視蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的激活。在頭足類中，視網(wǎng)膜色素是視覺循環(huán)中一種主要的和譜系特異性的異構(gòu)酶。在脊椎動(dòng)物中，視網(wǎng)膜色素上皮特異性蛋白65kDa（RPE65）是一種關(guān)鍵的異構(gòu)酶，通過將全反式視黃酯轉(zhuǎn)化為11-順式視黃醇來驅(qū)動(dòng)視黃酸循環(huán)。在鸚鵡螺基因組中發(fā)現(xiàn)并鑒定了RPE65基因家族的擴(kuò)張，該家族共編碼10個(gè)基因。鸚鵡螺RPE65與人RPE65共有一個(gè)保守的鐵離子結(jié)合位點(diǎn)、一個(gè)活性位和一個(gè)用于進(jìn)入基質(zhì)的疏水通道，說明是具有潛在的催化活性。從進(jìn)化適應(yīng)的角度來看，針孔眼的出現(xiàn)是鸚鵡螺垂直深度遷移生活方式的一個(gè)適應(yīng)性突破，通過將瞳孔打開，讓生物體獲得空間視覺并快速應(yīng)對(duì)眼睛內(nèi)的靜水壓力。總的來說，包括基因缺失、特定基因家族的獨(dú)立收縮和擴(kuò)張以及相關(guān)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的存在在內(nèi)的多種基因組共同推動(dòng)了鸚鵡螺針孔眼的進(jìn)化。
5. 殼的形成
鸚鵡螺是現(xiàn)存唯一具有外骨骼的頭足類動(dòng)物，它擁有復(fù)雜的螺旋形外殼，不僅是抵御捕食或環(huán)境逆境的物理屏障，而且在維持浮力方面起著不可或缺的作用。因此，鸚鵡螺獨(dú)特的貝殼結(jié)構(gòu)是垂直遷移適應(yīng)性進(jìn)化的結(jié)果。一般來說，軟體動(dòng)物貝殼的形成是一個(gè)基本的生物礦化過程，其中貝殼基質(zhì)蛋白（SMPs）引導(dǎo)碳酸鈣多晶型（方解石和/或文石）的生長(zhǎng)，并將晶體組織成復(fù)雜的貝殼。了解鸚鵡螺殼層的超微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)和SMP生物組成對(duì)于揭示殼層形成和演化的古老機(jī)制非常重要。作者通過掃描電子顯微鏡（SEM）圖像揭示了沿生長(zhǎng)方向堆積的六方文石的純聚集體（圖6a）。文石可能是在方解石成為構(gòu)建軟體動(dòng)物外殼的主要材料之前的古代結(jié)晶碳酸鈣。為了進(jìn)一步研究鸚鵡螺貝殼形成的分子基礎(chǔ)，從2個(gè)技術(shù)重復(fù)的酸溶性（ASM）或酸不溶性（AIM）基質(zhì)組分中鑒定出78種SMPs（圖6b）。表達(dá)模式顯示，這些SMPs中的大多數(shù)（72.2%）在套膜中表達(dá)特別高，從而證實(shí)了套膜在貝殼形成中的中心作用。為了描述保守的軟體動(dòng)物生物礦化“toolkit”，作者進(jìn)行了比較殼蛋白質(zhì)組學(xué)分析，結(jié)果表明，鸚鵡螺21種SMPs與其他軟體動(dòng)物（包括雙殼類和腹足類）的對(duì)應(yīng)物具有相似性（圖6c）。進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)域分析揭示了軟體動(dòng)物的幾個(gè)保守結(jié)構(gòu)域，包括Sushi/SCR/CCP、層粘連蛋白、幾丁質(zhì)結(jié)合和碳酸酐酶結(jié)構(gòu)域。表明這些結(jié)構(gòu)域可能作為一種古老的“核心生物礦化工具包”出現(xiàn)，并在具有外殼的多種軟體動(dòng)物譜系中保存。OrthoFinder分析顯示，78種SMPs中有52種提供了新的或鸚鵡螺特異性的殼蛋白（圖6d），從而推測(cè)大多數(shù)獨(dú)特的SMPs是獨(dú)立進(jìn)化的，并有助于軟體動(dòng)物殼結(jié)構(gòu)的高度多樣性。還發(fā)現(xiàn)鸚鵡螺殼基質(zhì)蛋白存在全新的低復(fù)雜重復(fù)基序（RLCDs）（圖6e），這可能與鸚鵡螺獨(dú)特的殼結(jié)構(gòu)相關(guān)。另外，系統(tǒng)比較軟體動(dòng)物殼基質(zhì)蛋白發(fā)現(xiàn)，RLCDs的平行進(jìn)化可能是軟體動(dòng)物生物礦化的基本規(guī)律。
6. 免疫系統(tǒng)
二、小結(jié)
本研究通過鸚鵡螺基因組測(cè)序和進(jìn)化分析，揭示了針孔眼形成和生物礦化的演變規(guī)律，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、基因家族及系統(tǒng)發(fā)育等分析對(duì)針孔眼、殼形成機(jī)制進(jìn)行了深入剖析。相關(guān)的研究成果對(duì)鸚鵡螺的生物學(xué)研究、遺傳資源保護(hù)以及頭足動(dòng)物的適應(yīng)性演化都將發(fā)揮重要的推動(dòng)作用。
三、研究背景
物種拉丁文：Nautilus pompilius
鸚鵡螺是古生代以來滅絕的數(shù)百個(gè)頭足類屬中唯一幸存的外殼頭足類，其在漫長(zhǎng)的演化歷程中依然保留了祖先特征，如螺旋外殼和針孔眼等。鸚鵡螺殼室為黃金比例的對(duì)數(shù)螺旋形式，由堅(jiān)固的文石晶體陣列組成，導(dǎo)致其高度的靜水穩(wěn)定性；鸚鵡螺獨(dú)特而簡(jiǎn)單的針孔眼，沒有晶狀體或角膜，為闡明眼睛的進(jìn)化提供了極好的原型模型。
由于觀賞性的商業(yè)開發(fā)、缺乏法律保護(hù)及性成熟緩慢等諸多不利因素，鸚鵡螺種群數(shù)量急劇下降。因此，研究鸚鵡螺的基因組可以為頭足類動(dòng)物的進(jìn)化驅(qū)動(dòng)因素提供見解，并為物種保護(hù)提供重要理論基礎(chǔ)。
