蛇为什么没有脚？我国学者发表Cell论文，全面揭示蛇类起源及特殊表型演化的遗传基础

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

目前，蛇类已成功入侵了除南极以外的所有大陆和海洋，现存种类约 4000 种，分属 30 多个科。它们是高效的捕食者，在维持生态平衡方面发挥着关键作用。自从与穴居的祖先分道扬镳以来，蛇类经历了各种各样的进化变化，比如身体形态的改变（包括身体变长和肺部不对称）、四肢退化、化学感知和热感知的变化，以及与大多数其他有鳞目动物（例如蜥蜴和蠕虫蜥）不同的进食行为。

有些蛇类进化出了独特的生活方式和形态创新。例如，盲蛇过着穴居生活，且饮食特殊，而红外线敏感的蟒蛇、蚺蛇和蝰蛇则进化出了特殊的颊窝器官或感受器，以增强其热感应能力。这些独特的适应性特征使蛇类成为发育生物学研究以及复杂性状进化研究的绝佳模型系统。

尽管蛇类具有独特的生物学特征和生态学意义，但我们对蛇类的了解（包括它们多样的表型和自然史）仍然十分有限。此外，由于高质量蛇类基因组的数量有限以及涵盖的种类有限，蛇类的特定性状的遗传机制尚未得到阐明。

2023 年 6 月，中国科学院成都生物研究所李家堂团队在国际顶尖学术期刊Cell上发表了题为：Large-scale snake genome analyses provide insights into vertebrate development（大规模蛇类基因组分析为脊椎动物发育提供见解）的研究论文。

该研究基于大规模多组学技术与基因编辑技术等研究手段，全面揭示了蛇类起源及特殊表型演化的遗传机制。

蛇类是蜥蜴目中一个非凡分支，具有独特的形态适应性，尤其是那些与脊椎动物骨骼、器官和感觉系统进化相关的适应性。

为了增进对蛇类进化历程的理解，研究团队选择了 从头组装了 12 个科的 14 种蛇类 的基因组； 鉴于这 12 个科包含了大约 84%的蛇类物种，该研究 所获得的基因组集合 是蛇 类生命之树的一个极具代表性的样本。

利用染色体水平蛇类基因组数据集，研究团队构建了蛇类系统发育框架，推断蛇类起源于约1.18 亿年前的早白垩纪。

该研究还利用了之前发表的基因组（11 种蛇、6 种蜥蜴、1 种龟、1 种鳄鱼和 1 种鸟），以及研究团队新测序的转录组（来自 9 种蛇、1 种蜥蜴和小鼠的 194 个样本）数据，来阐明这些分类群的基因组进化。除了阐明蜥蜴类谱系的起源和演化以及蛇类物种独特的形态适应性之外，这项研究结果还加深了我们对脊椎动物发育生物学的理解。

该研究通过大规模多组学技术以及功能实验，研究了蛇类的形态特征的遗传基础。该研究确定了一些基因、调控元件和结构变异，它们可能对蛇类肢体退化、身体延长、肺部不对称、感觉系统以及消化系统适应性进化发挥作用。该研究还确定了一些可能影响盲蛇视觉、骨骼系统和饮食以及红外感应蛇类的热感应进化的基因和调控元件。

具体来说，通过比较基因组学及基因编辑技术，研究团队发现，蛇类PTCH1蛋白特异性缺失的三个氨基酸残基，可能是其四肢缺失的重要遗传机制之一，表明了编码基因的突变和结构变异也可能是导致蛇类肢体缺失的原因。

此外，大量编码及非编码调控元件的快速演化驱动了蛇类的身体延长。 为适应身体延长，蛇类的内脏器官呈现不对称发育模式，例如，其左肺大多趋近于退化，而右肺则较为发达。该研究发现， 蛇类丢失了控制器官对称发育的DNAH11和FXJ1B基因，导致其左、右肺的不对称发育。

研究团队还探讨了红外感应蛇类和穴居的盲蛇类物种特殊表型的演化遗传机制，发现与热响应相关的PMP22基因和与三叉神经发育相关的NFIB基因的非编码调控元件的趋同演化是部分蛇类能够感知红外光谱的重要遗传驱动力。 而盲蛇类物种则通过视觉感受RPGRIP1基因的丢失及几丁质酶CHIA的快速演化以适应穴居生活，并形成专食蚂蚁及蚂蚁卵的独特食性 。

该研究的核心发现和突破之处：

• 代表性蛇类基因组的全染色体水平组装；

• 揭示了蛇类肢体缺失、身体延长和肺部不对称的遗传基础；

• 基因组变异推动盲蛇类和红外感知蛇类的特化；

• 功能实验验证了比较基因组学的发现。

总的来说，这项研究率先启动了蛇类大规模组学研究，全面揭示了蛇类起源及特殊表型演化的遗传机制，对于理解爬行动物的演化历史具有重要意义，并有助于推动脊椎动物演化生物学等相关学科的发展。

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论文链接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00582-2