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中科院水生所揭示chiron在斑馬魚胚胎發育和適應性演化中的作用
2021-03-01 15:05:47  来源:中国科学院

自達爾文時代以來,生物學家一直關注一個重要問題——生物是如何從共同的祖先演化成爲豐富多樣的物種的?新基因的産生是生物演化和物種多樣性形成的重要源泉。研究新基因的起源機制實質上是在探究生命演化的根源,但在分子水平上,新基因是如何被保留下來的、又是如何整合到已有的網絡通路中的、對生物的適應性演化做出了什麽貢獻,仍未得到較好的研究。

中國科學院水生生物研究所魚類系統學與生物地理學學科組通過比較分析魚類的基因組,在模式生物斑馬魚中鑒定到一個新的嵌合基因(chiron),首次系統研究了新基因的起源、演化、表達模式、分子功能及信號通路的整合過程,並進一步探討了鯉科魚丹亞科(Danoninae)魚類在東南亞水生環境中産生廣泛適應性進化的分子機制。

大约在4800至5400万年前的鱼丹亚科鱼类中,一个高度保守的管家基因——烟酰胺磷酸核糖转移酶(Nicotinamide phosphoribosy transferase, NAMPT)经过反转座的过程形成了CDNA,并插入到基因组中的其他位置,通过在其上游区域招募到一段蛋白编码序列,形成一个新的嵌合蛋白基因,称之为祖先的chiron基因。大约在100至400万年前,chiron基因通过革新-扩增-分化(Innovation-Amplification-Divergence (IAD))模式,特异性地在斑马鱼中产生了5个重复拷贝(chiron1-5)。基因表达数据证明,chrion基因可能起源于胚胎早期发育过程中,随着功能演化,其表达部位逐渐延伸到精巢中。细胞实验证明了chrion蛋白具有NAD+限速酶的功能,能够有效提升细胞中NAD+的水平。通过Morpholino敲降和CRISPR-Cas9基因编辑技术,研究人员证明了chiron是斑马鱼胚胎发育的必需基因,该结果为鱼类新基因的功能研究增添了新证据(图1)。

進一步研究發現,新基因chiron通過直接催化NAD+的限速反應,整合到古老的核心網絡NAD+合成通路中,並促進該信號通路中的兩個能量代謝基因——nmnat1和naprt在魚類中發生正向選擇,從而系統性地驅動整個NAD+生物合成通路的協同演化(圖2)。

NAD+是一種重要的輔助因子,在新陳代謝的過程中發揮重要作用。在能量緊缺時(如缺糖、禁食、限制熱量和運動),NAD+的表達水平會顯著增加。因此,通過調節NAD+的水平,chiron基因可能起到一種重要的生理穩態機制的作用,通過持續性地維持細胞中的NAD+水平,確保NAD+的充足性,進一步提高魚丹亞科群體對不同生態環境的適應能力,尤其是在食物短缺和能量匮乏的關鍵時期。此外,已有研究表明,提高NAD+能夠延緩哺乳動物的衰老和延長壽命。那麽,利用新基因chiron對整個NAD+合成途徑(nmnat1和naprt)進行系統性地改善,爲提高細胞的NAD+水平提供了新思路,可能進一步推動人類的抗衰老和延長壽命等生物醫學領域的研究。

相关研究成果以The new chimeric chiron genes evolved essential roles in zebrafish embryonic development by regulating NAD+ levels为题,在线发表在Science China Life Sciences上。该研究由博士方成池等完成,水生所为第一完成单位,水生所研究员何舜平为论文通讯作者,研究工作得到中科院战略性先导科技专项(B类)、国家自然科学基金委员会重大研究计划、国家自然科学基金青年基金等项目的资助。此外,该研究还获得演化领域学者的关注,芝加哥大学生态与演化系教授龙漫远发表评论,该评论以A zebrafish-specific chimeric gene evolved essential developmental functions: discussion of conceptual significance为题,发表在Science China Life Sciences上。

  

圖1.新基因chiron的起源和功能

  圖2.新基因chiron促進NAD+合成通路的協同演化

 

 

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