PNAS｜岳家兴团队合作解析最早分化文昌鱼基因组，揭秘脊索动物基因组结构及重要免疫相关基因的演化历史

近日，中山大学岳家兴团队及其合作者在PNAS上发表了题为Insights into cephalochordate genome and gene evolution from the early-diverging amphioxus Asymmetron lucayanum 的研究论文（图1）。该研究解码了头索动物亚门中最早分化的偏文昌鱼属的代表物种鲁卡偏文昌鱼 A. lucayanum的基因组，并通过全面的比较基因组分析，阐明了文昌鱼所代表的头索动物亚门的基因组结构和演化特征，回溯了Hox、TLR、NLR、RAG、MHC等多个发育及免疫相关重要基因及基因组区域的演化历史，为深入理解脊索动物的早期演化和脊椎动物适应性免疫系统的起源提供了宝贵资源和独特视角。

图1. 文章首页截图。

文昌鱼是一类长得像“鱼”但其实不是“鱼”的海洋无脊椎动物的统称，其在全球多个国家的沿海地区都有分布。目前已知的文昌鱼物种超过30种，它们来自3个属，分别是文昌鱼属（Branchiostoma）、偏文昌鱼属（Asymmetron）、以及侧殖文昌鱼属（Epigonichthys）。其中偏文昌鱼属（Asymmetron）是最早分化的文昌鱼分支，它和文昌鱼属（Branchiostoma）的分化时间在八千万年左右。文昌鱼是头索动物亚门（Cephalochordata）的代表性生物，其与尾索动物亚门（Urochordata或Tunicata），以及我们人类所属的脊椎动物亚门（Vertebrata）一起共同组成了脊索动物门（Chordata）。其中，头索动物亚门的分化时间最早，其与尾索动物亚门和脊椎动物亚门在至少5亿5千万年前就完成了分化，为研究脊索动物的早期演化提供了重要参照。在宏观形态上，文昌鱼和发现于寒武纪早期的原始脊索动物化石呈现出很多相似的解剖学特征。此外，在基因组层面，文昌鱼的基因组并没有经历脊椎动物所共享的两轮全基因组倍增事件（2R-WGDs），理论上更贴近脊索动物共同祖先的情况。因此，长久以来文昌鱼被类比为“活化石”（living fossil），是研究脊索动物早期演化的理想模式生物。

在岳家兴团队最新发表的这项研究中，研究团队首先结合使用三代测序（PacBio）以及HiC测序技术，对鲁卡偏文昌鱼 A. lucayanum的基因组进行了染色体水平的拼装及单倍型分型。研究发现A. lucayanum具有18条染色体，其参考单倍型基因组大小为721 Mb，明显大于目前已解码的4种Branchiostoma属的文昌鱼（B. floridae, B. lanceolatum, B. belcheri, B. japonicum）的基因组（383–490 Mb）。研究发现基因组重复元件（比如各种转座子）的扩张是导致其基因组变大的主要因素。通过对A. lucayanum和4种Branchiostoma文昌鱼的比较基因组分析，研究团队重建了头索动物亚门（Cephalochordata）基因组的染色体核型演化历史，鉴定到了发生于文昌鱼不同演化分支上的多次染色体融合事件（图2）。

图2.头索动物亚门不同文昌鱼物种的基因组核型比较。Alu：A. lucayanum（鲁卡偏文昌鱼）; Bfl: B. floridae（佛罗里达文昌鱼），Bla: B. lanceolatum （欧洲文昌鱼），Bbe: B. belcheri （白氏文昌鱼），Bja: B. japonicum （日本文昌鱼）。

团队发现这5种文昌鱼与脊椎动物相比，其蛋白编码基因均表现出非常缓慢的分子演化速率。这一结论强化了文昌鱼作为演化关键节点的地位，证明其确实是重构脊索动物祖先特征及阐明脊椎动物演化逻辑的重要模型。除了基因序列水平的比较，研究团队还考察了基因在染色体上的相对排布位置和顺序的保守性（即染色体共线性，synteny）。他们发现在不同文昌鱼物种之间表现出很高的基因组共线性，并在此基础上鉴定出1214个排布顺序高度保守的基因簇，这些基因簇中的一些和其对应的人类同源基因的排布顺序也高度保守。有趣的是，位于同一基因簇内部的基因在分子演化速率以及转录水平上都表现出更高的相关性，提示这些基因簇的基因排布顺序受到了强烈的自然选择约束。

关于基因顺序高度保守的基因簇，最著名的例子当属Hox基因簇了。Hox基因簇是调控动物胚胎发育的核心基因群，表现出强烈的时空共线性表达特征。而Hox基因簇的这种高度受控的时空表达特异性又直接决定了胚胎体轴和器官的定位发育。研究团队系统分析了文昌鱼和脊椎动物的Hox基因簇的演化历史和演化特征，提出了脊索动物共同祖先的Hox基因簇组成模型。尤其有趣的是，他们发现在偏文昌鱼A. lucayanum和白氏文昌鱼B. belcheri的Hox基因簇中都同时出现了明显的转座子插入以及整个Hox基因簇的倒位（inversion）事件，提示这两种基因组结构变异事件很可能是相互关联的。

此外，与同属于脊索动物门但同时拥有先天性免疫和适应性免疫系统的脊椎动物不同，以文昌鱼为代表的头索动物只拥有先天性免疫系统，提示适应性免疫系统的起源发生于头索动物和脊椎动物分化之后。因此文昌鱼是追溯脊椎动物适应性免疫系统及其关键基因起源的重要比较节点。在本研究中，研究团队全面解析了先天性免疫和适应性免疫的关键基因（如：TLR、NLR 和 RAG）和基因组区域（如：MHC）的演化特征和历史。他们发现先天性免疫相关的重要基因TLR和NLR在5种文昌鱼基因组中都发生了显著的物种特异性扩张，而决定适应性免疫抗原识别和递呈的重要基因及基因组区域（RAG和MHC）的原型形式（proto-RAG和proto-MHC）在文昌鱼基因组中就已存在，但表现出独特的演化基因组学特征。例如，与此前有学者们提出的关于文昌鱼具有高度聚集的proto-MHC基因组区域的假设不同，本研究发现文昌鱼的MHC同源基因虽然都聚集于同一条染色体上，却呈明显的弥散性分布，且其基因排布顺序与人类MHC基因组区域存在明显差异（图3）。

图3. 文昌鱼（Alu）的原型MHC区域（proto-MHC）与人类（Hsa）的MHC区域的同源基因分布。

综上所述，本项研究通过对头索动物亚门中最早分化的偏文昌鱼的基因组解析和比较基因组学分析，极大地丰富了我们对于文昌鱼及其所代表的头索动物亚门的基因组学认知。同时，该研究也为更清晰的重建脊索动物的早期演化历史以及脊椎动物的适应性免疫系统的起源提供了重要比较节点和全新视角。

本研究由中山大学肿瘤防治中心的岳家兴研究员、台湾中央研究院（Academia Sinica）的游智凯（Jr-Kai Yu）研究员、韩国忠北大学（Chungbuk National University）的赵成珍（Sung-Jin Cho）教授、美国加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego, UCSD）的Linda Z. Holland研究员共同领导。中山大学肿瘤防治中心的任一凡与苗泽圃为本文共同第一作者。

中山大学肿瘤防治中心岳家兴课题组（www.evomicslab.org）致力于基因组不稳定性组学表征、演化动态、以及靶向方法的研究。课题组综合运用基因组学、实验演化、单分子测序等技术手段，基于人群队列及细胞模型，深入解析基因组不稳定性的遗传演化规律、表型功能影响、以及临床转化意义。因课题开展需要，诚招具有相关领域研究背景的博士后。

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https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2521280123

制版人： 十一

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