NatureGenetics弓鳍鱼

弓鳍鱼（Amiacalva）是原始辐鳍鱼中的一种，同时也是弓鳍目、弓鳍科、弓鳍属中唯一存活至今的成员。经过数亿年岁月的洗礼，弓鳍鱼保留了一系列独特的表型，例如尾异尾、双腔脊骨、摆线鳞、血管化气囊等，这使得弓鳍鱼成为研究原始辐鳍鱼进化的重要物种。

近日，来自美国的科研学者在国际著名期刊NatureGenetics上在线发表了题为“Thebowfingenomeilluminatesthedevelopmentalevolutionofray-finnedfishes”的研究论文，该研究构建了高质量的弓鳍鱼基因组，重塑了新鳍亚纲的分类地位；同时结合ATAC-seq和RNA-seq技术对弓鳍鱼的免疫、鳞片、呼吸和鳍骨骼进行了进化研究，从而为原始辐鳍鱼乃至脊椎动物的进化研究提供了新见解。

图1文章发表信息

研究背景

在新鳍亚纲中，弓鳍鱼（bowfin）、雀鳝（gar）以及硬骨鱼间的分类关系长期以来一直是有争议的，目前主要有两种假说。一种是将弓鳍鱼和鳄雀鳝放到一起，共同归属为全骨总目（Holostei）；另一种是基于形态相似性及核型关系将弓鳍鱼和硬骨鱼放到一起，共同归属为Halecostomi。而构建高质量的弓鳍鱼基因组，则可以从基因组层面上分别将弓鳍鱼置于两种分类方法中进行研究，以确定弓鳍鱼及新鳍亚纲最佳的分类方式。

研究思路

材料：雄性弓鳍鱼

组装策略：Illumina+Chicago+Hi-C

ATAC：从胚胎到幼体发育的7个时期

研究结果

1.弓鳍鱼的基因组特征及其分类地位

通过多种测序策略，研究者构建的弓鳍鱼基因组大小为Mb，ScaffoldN50=41.2Mb，并将99%以上的序列锚定在23条染色体上。通过注释，共获得个蛋白编码基因，重复序列占比22.1%，这与斑点雀鳝基因组特征非常相似（但两者的TE分布和扩增存在显著差异）。

为证实弓鳍鱼分类属于Holostei还是Halecostomi，研究者从微染色体鉴定、基于基因组重排距离构树等多种方式进行研究。结果表明，弓鳍鱼与硬骨鱼间没有共享的微染色体融合事件，它们间的核型相似性更像是趋同进化的结果，而不是由于共同的起源，因此不支持Halecostomi假说；基于基因组重排距离构树的结果，与基于序列、编码蛋白、非编码蛋白构树的结果相一致，都证实了弓鳍鱼与斑点雀鳝亲缘关系更密切，即支持Holostei假说。此外，弓鳍鱼基因组重排速率显著低于硬骨鱼，与Holostei类群相似。总之，多方面的分析结果表明弓鳍鱼与斑点雀鳝亲缘关系更近，共同属于Holostei类群。

图2弓鳍鱼和新鳍亚纲基因组的进化及其分类地位的确定

2.弓鳍鱼免疫系统的特性及矿化鱼鳞的形成

基于高质量的弓鳍鱼参考基因组，研究者对全骨总目的免疫系统及新鳍亚纲鳞片的变化进行了研究。人类组织相容性复合体（MHC）可以分为I类、II类和III类基因，在软骨鱼和四足动物中，I类和II类基因在一条染色体上紧密相连；硬骨鱼的I类和II类基因不相连，而III类基因则分散在硬骨鱼的基因组中，弓鳍鱼的MHC结构与软骨鱼和四足动物相似。弓鳍鱼的T细胞受体（TCR）不仅编码IgM和IgD抗体，而且还编码IgT，在斑点雀鳝中也鉴定到IgT同源基因，因此IgT抗体可以追溯到全骨总目祖先中去。

图3弓鳍鱼与斑马鱼MHC复合体的比较

斑点雀鳝拥有矿化的厚鳞片，而弓鳍鱼的鳞片薄而灵活。研究者在弓鳍鱼中鉴定到了22个分泌型钙结合磷蛋白(SCPP)基因家族（斑点雀鳝有38个SCPP基因），其中的21个形成了两个大基因组簇，且包含与甘醇蛋白形成相关的基因组簇，但在弓鳍鱼鳞片发育过程中，抑制了这些基因的表达；且弓鳍鱼中与硬鳞片发育相关的基因（位于9号假染色体上）在逐渐丢失。因此，弓鳍鱼矿化鳞片的减少主要是由于基因调控的变化和特定SCPP基因的丢失。

图4新鳍亚纲不同鱼中SCPP基因数量与结构的比较

3.弓鳍鱼的ATAC多组学分析

研究者对弓鳍鱼7个不同发育阶段的样本进行了ATAC、转录组和Hi-C多组学分析，共鉴定到了个染色质开放区域（OCRs），其中81.8%的属于非编码OCRs（ncOCRs），其中个属于核心ncOCRs（在斑点雀鳝、斑马鱼、小鼠、人类共享）。保守非编码元件(CNEs)和超保守元件(UCEs)被用来识别候选增强子，研究者发现弓鳍鱼中CNEs和UCEs与ncOCRs存在大量重合，进一步使用人类VISTA增强子来验证弓鳍鱼ATAC数据集的作用，结果表明弓鳍鱼与人类VISTA增强子具有更高的overlap，这说明了弓鳍鱼的ATAC图谱为进一步连接脊椎动物之间的基因调节同源性提供了关键平台。此外，研究者在弓鳍鱼tbx4基因中鉴定了一个内含子ncOCR，该基因与哺乳动物肺增强子tbx4同源，这说明脊椎动物“肺”器官在基因调控水平上具有深层同源性。

图5弓鳍鱼发育过程中的ATAC多组学分析

4.弓鳍鱼Hox基因与胸鳍发育过程中相关基因的动态变化

Hox基因组簇在动物形态发育中具有重要作用，研究者在弓鳍鱼中鉴定到了43个Hox基因，与斑点雀鳝相一致。但有趣的是，弓鳍鱼hoxd14可能是一个伪基因，其编码区和同源结构域存在大量终止密码子和非同义变化，但弓鳍鱼hoxd14假基因仍然以高水平转录、剪接和高度特异的祖先模式表达。这一发现提出了一种可能性，即弓鳍鱼hoxd14可能不再编码功能蛋白，但它可能在调控hox表达和鳍的模式和/或其他有待识别的过程中发挥某些作用。

图6弓鳍鱼Hox基因的变化

此外，研究者在对弓鳍鱼的胸鳍发育过程进行转录组分析时发现，关键肢体发育信号配体基因fgf8在所有阶段都缺乏表达，但对其具有正向调控作用的sp8基因在所有阶段中都有表达，这说明了在弓鳍鱼中fgf8基因的调控发生了变化，这是一个独特的现象。

总结

研究者对弓鳍鱼这一“活化石”进行了基因组组装，证明了其属于Holostei类，探究了弓鳍鱼的免疫、鳞片、呼吸和鳍骨骼进化动态，为理解远古鱼和脊椎动物的进化关系架起了“一座桥梁”。同时，这篇文章也是今年来第4篇利用基因组学揭示脊椎动物进化的高水平文章（年1月Nature-肺鱼基因组、年2月Cell背靠背肺鱼和原始辐鳍鱼基因组），这充分说明探索古老物种来揭示新物种的进化机制已成为进化基因组学研究的热点和聚焦点！

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