《成都生物所在基因流下物种界限维持机制研究中获进展》

  • 来源专题:生物科技领域知识集成服务
  • 编译者: 陈方
  • 发布时间:2021-03-08
  • 成都生物所在基因流下物种界限维持机制研究中获进展
    物种形成及物种界限(Speciation and Species boundary)的问题,是Science在2005年提出的125个重要科学问题之一,近年来受到广泛关注。生物学家认为,由于生殖隔离的存在,不同物种之间无法进行基因交流,以此维持物种的界限。随着DNA测序技术的不断发展,越来越多的证据表明分类学上界定的不同物种之间存在基因交流。
    为研究在广泛存在的基因流背景下,物种如何维持自己的身份(identity)、并保持与其他物种的界限问题,中国科学院成都生物研究所生物多样性与生态功能服务领域植物标本馆针对滇西北地区高海拔分布的百合属植物,选择了由沿海拔梯度分布的3种豹子花植物组成的杂交区(hybrid zone),通过群体遗传学建立谱系结构、生态位模拟揭示适应性差异及开花物候差异统计花粉流方向等方面的研究,表明该杂交区内存在沿坡度向下的不对称基因流(asymmetry gene flow)。但三个物种形态差异较大、且不存在大量中间过渡形态,表明在基因流背景下物种的界限得到了较好的维持。该研究表明,物种的开花物候、种子传播方式决定基因流的方向;生态位之间的差异导致的环境过滤(environment filtering)对适宜分布区外的物种及其杂交后代的剔除效应是物种界限维持的机制。百合属植物较大的染色体及由此导致的低重组率可能是物种维持“关键基因”不被交换的原因。这些结果显示,物种是动态的、变化的,自然环境(自然选择)与基因重组的相互作用是物种进化的动力之一。相关研究成果于2020年12月07日发表到Frontiers in Plant Science上。
    宋琪 摘编自http://www.cas.cn/syky/202012/t20201206_4769551.shtml
    原文标题:成都生物所在持续基因流下物种界限维持机制研究中获进展

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    • 编译者:姜丽华
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    •       既往研究认为,不同物种之间和物种内个体之间的表型差异源于基因表达调控的差异。这是因为大部分基因存在于整个脊椎动物中,且功能保守。现存鱼类约有26000多个物种,每个物种是否存在自身特异的基因、发挥何种功能?   TRIM(tripartite motif)家族蛋白是一类E3泛素连接酶,通过泛素化修饰底物参与机体的生命过程调控,包括对天然抗病毒免疫反应的调控。一般来说,在病毒感染后的数小时内,宿主便能激活干扰素反应以抑制病毒的复制;待病毒被清除干净后,宿主干扰素的表达很快下降,而后维持在很低的本底水平,以避免对组织细胞的更多损伤。为了维持抗病毒反应的“健康”进行,宿主需要实时调控干扰素等细胞因子的适度表达。TRIM基因的数量在不同的脊椎动物中出现了扩张。例如,鱼类除了有与人保守的TRIM蛋白外,还有一类特异于鱼类的TRIM蛋白,称finTRIM(fish novel TRIM)。   2019年,中国科学院水生生物研究所张义兵研究团队在病毒感染的鲫细胞中克隆了一个finTRIM基因。在已有的基因组数据中找不到与该基因有“一一对应”进化关系的同源基因,因而研究认为该基因可能为四倍体鲫特有,命名为FTRCA1(finTRIM C.auratus 1)。FTRCA1在病毒感染时显著表达,通过降解RLR信号通路中的蛋白激酶TBK1,发挥负调控干扰素抗病毒反应的功能(The Journal of Immunology 2019,202:2407-2420)。   近日,研究证明,FTRCA1是一个E3泛素连接酶,也是一个RNA结合蛋白。FTRCA1负调控宿主干扰素抗病毒反应的机制是:在病毒感染的细胞中,FTRCA1选择性地与信号分子STING(又称MITA)和IRF7的mRNA结合,通过RISC(RNA-induced silencing complex)途径降解mRNA负调控干扰素反应;此外,FTRCA1蛋白还直接结合TBK1蛋白,通过溶酶体途径降解TBK1蛋白负调控干扰素反应(The Journal of Immunology 2022,209:1335-1347)。该研究解释了一个物种特异的finTRIM蛋白如何同时获得RNA结合活性和E3泛素连接酶活性,从RNA水平和蛋白水平两个层面调控宿主干扰素抗病毒反应的分子机制(图1)。   FTRCA1介导的这种复杂调控机制不是个例。HERC家族蛋白是另一类E3泛素连接酶。通过比较基因组分析,研究鉴定了一类在哺乳类中丢失了的HERC基因,命名为HERC7亚家族。同样,HERC7亚家族在不同的鱼类物种中也出现不同程度的扩张。对于鲫中的一个HERC7的功能的研究显示(图2),鲫HERC7在蛋白水平上降解STING和MAVS蛋白、在RNA水平上降解IRF7的mRNA,通过这两个途径负调控宿主的干扰素抗病毒反应(The Journal of Immunology 2022,208: 1189-1203)。   对于物种特异的抗病毒免疫分子机制的研究,将为特定物种的抗病育种提供新思路。研究工作得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项和国家自然科学基金等的支持。
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    • 大多数生物 通常 都对其生存环境有一定要求,超出 适宜的范围 就 难以 存活;但有一些生物却可以在强辐射 、 缺氧等极端环境中 繁衍生息 ,这类生物被称为极端环境生物。由于其独特的生活环境, 长期的适应性进化使得这些生物 在基因结构组成 、 酶特性及代谢功能等方面均不同于其它生物。 温泉蛇属 Thermophis 隶属于游蛇科,该属目前包括三个物种:温泉蛇 Thermophis baileyi 、四川温泉蛇 Thermophis zhaoermii 和香格里拉温泉蛇 Thermophis shangrila , 它们 为中国特有的珍稀保护物种,是世界上分布海拔最高的蛇类之一。 它们 均生活于青藏高原海拔 范围为 3500 ~4400 米 的地区, 主要 栖息在温泉附近的石堆、水边 和 沼泽草甸中 。 温泉蛇的起源和演化与青藏高原的形成和隆起有着密切的联系。 目前,全世界已知蛇类约有 3600 种,主要分布在热带、亚热带和温带地区,少数在寒带地区。从垂直分布来看,沿海、沿湖低地到海拔 1000 米上下的种类最多,有一部分种类分布在海拔 2000~3000 米的地方。早在 1907 年,温泉蛇作为唯一一种生活在青藏高原海拔 4000 米以上的蛇被英国人 Frank Wall 首次发现时,就已经“颠覆”了人们对当时现有蛇类的认知。同时 , 青藏高原寒冷、氧分压低、紫外线辐射强烈的特点 , 造成其许多地区不适合人类居住甚至是生命禁区 , 是亚洲人口最稀少的地区。 前期的许多研究都集中在恒温动物对高原的适应,如高原人类、高原牦牛等。缺乏对高原变温动物适应高原环境遗传机制的研究,而温泉蛇正好为我们揭开变温动物高海拔适应之谜提供了良好的动物模型。 中国科学院成都生物研究所李家堂等研究团组对温泉蛇进行了全基因测序,将得到的全基因组序列和同属物种及亲缘关系较近 的 低海拔物种全基因组进行重测序,融合已发表的 9 个低海拔物种全基因组序列,利用比较基因组学分析,在高海拔温泉蛇属三个物种中发现了 27 个不同蛋白中的 27 个共有氨基酸替换。这些突变多与免疫 、 低氧适应应答和 DNA 修复等功能相关。分子功能实验验证的结果表明,与 DNA 修复相关的 FEN1 (瓣状核酸内切酶 -1 )基因的突变型相对于野生型(低海拔物种基因类型)在紫外照射下具有更强的稳定性,推测突变有助于温泉蛇属物种在高海拔环境中对紫外线的抵抗。与西藏人相似,作为高原物种,温泉蛇 EPAS1 (内皮 PAS 结构域包含蛋白 -1 )基因的突变减弱了其调节下游基因红细胞生成素表达的能力,进而导致温泉蛇血红蛋白浓度处于较低水平,是温泉蛇适应高海拔低氧条件的重要原因。 该研究成果以题为 “Comparative genomic investigation of high-elevation adaptation in ectothermic snakes” (比较基因组学研究解析变温动物蛇类对高海拔环境的适应) ,于 北京时间 2018 年 8 月 1 日凌晨在线发表在国际学术期刊 PNAS (《美国科学院院刊》) 。 本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项和前沿局重点项目,国家自然科学基金和中国科学院青促会项目等经费资助。