撰文丨王聰
編輯丨王多魚
排版丨水成文
目前，蛇類已成功入侵了除南極以外的所有大陸和海洋，現(xiàn)存種類約 4000 種，分屬 30 多個(gè)科。它們是高效的捕食者，在維持生態(tài)平衡方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。自從與穴居的祖先分道揚(yáng)鑣以來，蛇類經(jīng)歷了各種各樣的進(jìn)化變化，比如身體形態(tài)的改變（包括身體變長和肺部不對(duì)稱）、四肢退化、化學(xué)感知和熱感知的變化，以及與大多數(shù)其他有鱗目動(dòng)物（例如蜥蜴和蠕蟲蜥）不同的進(jìn)食行為。
有些蛇類進(jìn)化出了獨(dú)特的生活方式和形態(tài)創(chuàng)新。例如，盲蛇過著穴居生活，且飲食特殊，而紅外線敏感的蟒蛇、蚺蛇和蝰蛇則進(jìn)化出了特殊的頰窩器官或感受器，以增強(qiáng)其熱感應(yīng)能力。這些獨(dú)特的適應(yīng)性特征使蛇類成為發(fā)育生物學(xué)研究以及復(fù)雜性狀進(jìn)化研究的絕佳模型系統(tǒng)。
盡管蛇類具有獨(dú)特的生物學(xué)特征和生態(tài)學(xué)意義，但我們對(duì)蛇類的了解（包括它們多樣的表型和自然史）仍然十分有限。此外，由于高質(zhì)量蛇類基因組的數(shù)量有限以及涵蓋的種類有限，蛇類的特定性狀的遺傳機(jī)制尚未得到闡明。
2023 年 6 月，中國科學(xué)院成都生物研究所李家堂團(tuán)隊(duì)在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Cell上發(fā)表了題為：Large-scale snake genome analyses provide insights into vertebrate development（大規(guī)模蛇類基因組分析為脊椎動(dòng)物發(fā)育提供見解）的研究論文。
該研究基于大規(guī)模多組學(xué)技術(shù)與基因編輯技術(shù)等研究手段，全面揭示了蛇類起源及特殊表型演化的遺傳機(jī)制。
蛇類是蜥蜴目中一個(gè)非凡分支，具有獨(dú)特的形態(tài)適應(yīng)性，尤其是那些與脊椎動(dòng)物骨骼、器官和感覺系統(tǒng)進(jìn)化相關(guān)的適應(yīng)性。
為了增進(jìn)對(duì)蛇類進(jìn)化歷程的理解，研究團(tuán)隊(duì)選擇了 從頭組裝了 12 個(gè)科的 14 種蛇類 的基因組； 鑒于這 12 個(gè)科包含了大約 84%的蛇類物種，該研究 所獲得的基因組集合 是蛇 類生命之樹的一個(gè)極具代表性的樣本。
利用染色體水平蛇類基因組數(shù)據(jù)集，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了蛇類系統(tǒng)發(fā)育框架，推斷蛇類起源于約1.18 億年前的早白堊紀(jì)。
該研究還利用了之前發(fā)表的基因組（11 種蛇、6 種蜥蜴、1 種龜、1 種鱷魚和 1 種鳥），以及研究團(tuán)隊(duì)新測(cè)序的轉(zhuǎn)錄組（來自 9 種蛇、1 種蜥蜴和小鼠的 194 個(gè)樣本）數(shù)據(jù)，來闡明這些分類群的基因組進(jìn)化。除了闡明蜥蜴類譜系的起源和演化以及蛇類物種獨(dú)特的形態(tài)適應(yīng)性之外，這項(xiàng)研究結(jié)果還加深了我們對(duì)脊椎動(dòng)物發(fā)育生物學(xué)的理解。
該研究通過大規(guī)模多組學(xué)技術(shù)以及功能實(shí)驗(yàn)，研究了蛇類的形態(tài)特征的遺傳基礎(chǔ)。該研究確定了一些基因、調(diào)控元件和結(jié)構(gòu)變異，它們可能對(duì)蛇類肢體退化、身體延長、肺部不對(duì)稱、感覺系統(tǒng)以及消化系統(tǒng)適應(yīng)性進(jìn)化發(fā)揮作用。該研究還確定了一些可能影響盲蛇視覺、骨骼系統(tǒng)和飲食以及紅外感應(yīng)蛇類的熱感應(yīng)進(jìn)化的基因和調(diào)控元件。
具體來說，通過比較基因組學(xué)及基因編輯技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，蛇類PTCH1蛋白特異性缺失的三個(gè)氨基酸殘基，可能是其四肢缺失的重要遺傳機(jī)制之一，表明了編碼基因的突變和結(jié)構(gòu)變異也可能是導(dǎo)致蛇類肢體缺失的原因。
此外，大量編碼及非編碼調(diào)控元件的快速演化驅(qū)動(dòng)了蛇類的身體延長。 為適應(yīng)身體延長，蛇類的內(nèi)臟器官呈現(xiàn)不對(duì)稱發(fā)育模式，例如，其左肺大多趨近于退化，而右肺則較為發(fā)達(dá)。該研究發(fā)現(xiàn)， 蛇類丟失了控制器官對(duì)稱發(fā)育的DNAH11和FXJ1B基因，導(dǎo)致其左、右肺的不對(duì)稱發(fā)育。
研究團(tuán)隊(duì)還探討了紅外感應(yīng)蛇類和穴居的盲蛇類物種特殊表型的演化遺傳機(jī)制，發(fā)現(xiàn)與熱響應(yīng)相關(guān)的PMP22基因和與三叉神經(jīng)發(fā)育相關(guān)的NFIB基因的非編碼調(diào)控元件的趨同演化是部分蛇類能夠感知紅外光譜的重要遺傳驅(qū)動(dòng)力。 而盲蛇類物種則通過視覺感受RPGRIP1基因的丟失及幾丁質(zhì)酶CHIA的快速演化以適應(yīng)穴居生活，并形成專食螞蟻及螞蟻卵的獨(dú)特食性 。
該研究的核心發(fā)現(xiàn)和突破之處：
代表性蛇類基因組的全染色體水平組裝；
揭示了蛇類肢體缺失、身體延長和肺部不對(duì)稱的遺傳基礎(chǔ)；
基因組變異推動(dòng)盲蛇類和紅外感知蛇類的特化；
功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了比較基因組學(xué)的發(fā)現(xiàn)。
總的來說，這項(xiàng)研究率先啟動(dòng)了蛇類大規(guī)模組學(xué)研究，全面揭示了蛇類起源及特殊表型演化的遺傳機(jī)制，對(duì)于理解爬行動(dòng)物的演化歷史具有重要意義，并有助于推動(dòng)脊椎動(dòng)物演化生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。
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論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00582-2
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