image: 图1 三种无肢蜥蜴基因组组装和有鳞类四肢丢失的代表支系 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
四肢的出现对于四足动物的起源与演化十分重要，为其提供了多种功能，例如抓握、挖掘、跑、游泳和飞行。然而，部分类群为适应特定环境而丢失了四肢，尤其在有鳞目中，这一性状至少发生了26次的独立演化。因此，有鳞类为研究四肢缺失这一性状的演化提供了良好的模型。
近日，中国科学院成都生物研究所李家堂团队在Science China Life Sciences（《中国科学：生命科学》英文版）上发表了题为“Developmental regulation of conserved non-coding element evolution provides insights into limb loss in squamates”的研究论文。该研究对三个无肢蜥蜴的基因组进行从头组装，结合比较基因组分析、表观基因组数据与功能实验验证，发现保守的非编码元件（conserved non-coding elements, CNEs）在肢体的早期发育过程中发挥着重要作用，而核苷酸突变和InDels是影响CNEs功能的重要原因。该研究揭示了有鳞类四肢缺失的发育调控机制，并强调了保守非编码元件在表型演化中的重要性，对生物复杂性状的遗传解析具有重要的推动作用。
该研究团队以帝王蛇蜥（Pseudopus apodus）、脆蛇蜥（Dopasia harti）和白尾双足蜥（Dibamus bourreti）这三种典型的四肢缺失蜥蜴为研究对象，分别从头组装了其参考基因组。基于全基因组比对，构建的有鳞类进化树的拓扑结构显示，肢体的丢失在有鳞类几个支系中呈现出独立演化的格局。
比较基因组学分析在蛇与蛇蜥，以及蛇蜥与双足蜥间分别检测到了趋同的快速演化信号。通过整合泰加蜥蜴胚胎组织以及小鼠不同发育时期的ATAC-seq数据集分析发现，这些趋同快速演化的CNEs与肢体早期发育的调控信号有关，其相关基因参与了肢体起始发生过程，包括Shh、Gli3、Ptch1和Twist1。功能实验结果表明，这些趋同快速演化的CNEs的调控活性发生改变，而转录因子结合位点的突变可能是影响这些CNEs调控功能的重要原因。
进一步研究发现，不同支系的无肢有鳞类CNEs中存在特异性的插入或缺失片段（InDels），且InDel CNEs与趋同快速演化的CNEs在肢体发育的调控数据集中存在信号重叠。这些InDel CNEs调控肢芽早期发生的关键基因，例如Tbx4， Fgf10和Gli3。基于功能实验结果发现，InDel会影响CNEs的调控活性，从而导致下游靶基因表达的升高或降低，这可能是有鳞类四肢缺失的重要遗传机制之一。
综上，该研究基于基因组学分析发现，不同支系的无肢有鳞类中，CNEs共有或特有的遗传变化在肢体发育的早期阶段发挥了重要作用。研究还发现了CNEs中存在支系特异的InDels，这些InDels对CNEs的调控活性产生影响，并进一步调控下游基因的表达，提示了调控元件中的InDels在表型演化中的重要性。
中国科学院成都生物研究所博士研究生王增为论文的第一作者，中国科学院成都生物研究所李家堂研究员为论文的通讯作者。该研究得到中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等项目的支持。
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Science China Life Sciences