蛇為什么沒有腳？我國學(xué)者發(fā)表Cell論文，全面揭示蛇類起源及特殊表型演化的遺傳基礎(chǔ)

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作者：王聰來源：生物世界

2025-02-05

2023 年 6 月，中科院成都生物所李家堂團(tuán)隊在《Cell》發(fā)文，通過大規(guī)模多組學(xué)與基因編輯技術(shù)，組裝 14 種蛇類基因組，全面揭示蛇類起源及特殊表型演化的遺傳機(jī)制。

目前，蛇類已成功入侵了除南極以外的所有大陸和海洋，現(xiàn)存種類約 4000 種，分屬 30 多個科。它們是高效的捕食者，在維持生態(tài)平衡方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。自從與穴居的祖先分道揚(yáng)鑣以來，蛇類經(jīng)歷了各種各樣的進(jìn)化變化，比如身體形態(tài)的改變（包括身體變長和肺部不對稱）、四肢退化、化學(xué)感知和熱感知的變化，以及與大多數(shù)其他有鱗目動物（例如蜥蜴和蠕蟲蜥）不同的進(jìn)食行為。

有些蛇類進(jìn)化出了獨(dú)特的生活方式和形態(tài)創(chuàng)新。例如，盲蛇過著穴居生活，且飲食特殊，而紅外線敏感的蟒蛇、蚺蛇和蝰蛇則進(jìn)化出了特殊的頰窩器官或感受器，以增強(qiáng)其熱感應(yīng)能力。這些獨(dú)特的適應(yīng)性特征使蛇類成為發(fā)育生物學(xué)研究以及復(fù)雜性狀進(jìn)化研究的絕佳模型系統(tǒng)。

盡管蛇類具有獨(dú)特的生物學(xué)特征和生態(tài)學(xué)意義，但我們對蛇類的了解（包括它們多樣的表型和自然史）仍然十分有限。此外，由于高質(zhì)量蛇類基因組的數(shù)量有限以及涵蓋的種類有限，蛇類的特定性狀的遺傳機(jī)制尚未得到闡明。

2023 年 6 月，中國科學(xué)院成都生物研究所李家堂團(tuán)隊在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Cell 上發(fā)表了題為：Large-scale snake genome analyses provide insights into vertebrate development（大規(guī)模蛇類基因組分析為脊椎動物發(fā)育提供見解）的研究論文。

該研究基于大規(guī)模多組學(xué)技術(shù)與基因編輯技術(shù)等研究手段，全面揭示了蛇類起源及特殊表型演化的遺傳機(jī)制。

研究表明

蛇類是蜥蜴目中一個非凡分支，具有獨(dú)特的形態(tài)適應(yīng)性，尤其是那些與脊椎動物骨骼、器官和感覺系統(tǒng)進(jìn)化相關(guān)的適應(yīng)性。

為了增進(jìn)對蛇類進(jìn)化歷程的理解，研究團(tuán)隊選擇了從頭組裝了 12 個科的 14 種蛇類的基因組；鑒于這 12 個科包含了大約 84%的蛇類物種，該研究所獲得的基因組集合是蛇類生命之樹的一個極具代表性的樣本。

利用染色體水平蛇類基因組數(shù)據(jù)集，研究團(tuán)隊構(gòu)建了蛇類系統(tǒng)發(fā)育框架，推斷蛇類起源于約 1.18 億年前的早白堊紀(jì)。

該研究還利用了之前發(fā)表的基因組（11 種蛇、6 種蜥蜴、1 種龜、1 種鱷魚和 1 種鳥），以及研究團(tuán)隊新測序的轉(zhuǎn)錄組（來自 9 種蛇、1 種蜥蜴和小鼠的 194 個樣本）數(shù)據(jù)，來闡明這些分類群的基因組進(jìn)化。除了闡明蜥蜴類譜系的起源和演化以及蛇類物種獨(dú)特的形態(tài)適應(yīng)性之外，這項研究結(jié)果還加深了我們對脊椎動物發(fā)育生物學(xué)的理解。

該研究通過大規(guī)模多組學(xué)技術(shù)以及功能實驗，研究了蛇類的形態(tài)特征的遺傳基礎(chǔ)。該研究確定了一些基因、調(diào)控元件和結(jié)構(gòu)變異，它們可能對蛇類肢體退化、身體延長、肺部不對稱、感覺系統(tǒng)以及消化系統(tǒng)適應(yīng)性進(jìn)化發(fā)揮作用。該研究還確定了一些可能影響盲蛇視覺、骨骼系統(tǒng)和飲食以及紅外感應(yīng)蛇類的熱感應(yīng)進(jìn)化的基因和調(diào)控元件。

具體來說，通過比較基因組學(xué)及基因編輯技術(shù)，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，蛇類 PTCH1 蛋白特異性缺失的三個氨基酸殘基，可能是其四肢缺失的重要遺傳機(jī)制之一，表明了編碼基因的突變和結(jié)構(gòu)變異也可能是導(dǎo)致蛇類肢體缺失的原因。

此外，大量編碼及非編碼調(diào)控元件的快速演化驅(qū)動了蛇類的身體延長。為適應(yīng)身體延長，蛇類的內(nèi)臟器官呈現(xiàn)不對稱發(fā)育模式，例如，其左肺大多趨近于退化，而右肺則較為發(fā)達(dá)。該研究發(fā)現(xiàn)，蛇類丟失了控制器官對稱發(fā)育的 DNAH11 和 FXJ1B 基因，導(dǎo)致其左、右肺的不對稱發(fā)育。

研究團(tuán)隊還探討了紅外感應(yīng)蛇類和穴居的盲蛇類物種特殊表型的演化遺傳機(jī)制，發(fā)現(xiàn)與熱響應(yīng)相關(guān)的 PMP22 基因和與三叉神經(jīng)發(fā)育相關(guān)的 NFIB 基因的非編碼調(diào)控元件的趨同演化是部分蛇類能夠感知紅外光譜的重要遺傳驅(qū)動力。而盲蛇類物種則通過視覺感受 RPGRIP1 基因的丟失及幾丁質(zhì)酶 CHIA 的快速演化以適應(yīng)穴居生活，并形成專食螞蟻及螞蟻卵的獨(dú)特食性。

RPGRIP1 基因