關(guān)于進化生物學領(lǐng)域的“問題女王”，中國科學家有新突破

近日，《中國科學：生命科學》英文版在線發(fā)表中國海洋大學海洋生物多樣性與進化研究所原生動物學團隊高鳳教授課題組的研究論文。該研究綜合利用轉(zhuǎn)錄組和蛋白組數(shù)據(jù)全面解析了海洋纖毛蟲（扇形游仆蟲）整個生活史過程的基因和蛋白表達譜，揭示了大量有性生殖相關(guān)的新基因，為未來深入研究基因組重排和有性生殖相關(guān)的調(diào)控機制提供了新資訊。

在浩瀚的生物進化長河中，有性生殖的起源與演化始終是一個引人入勝而又充滿挑戰(zhàn)的科學謎題，被譽為進化生物學領(lǐng)域的“問題女王”。有性生殖首次出現(xiàn)在單細胞原生生物中，且演化出了復雜和高度多樣的有性生殖策略和分子機制，為研究有性生殖的早期起源和演化提供了豐富的材料。其中纖毛蟲原生動物迄今已有超過十億年的演化史，其生活史中既有無性生殖又有有性生殖，并且演化出了特殊的有性生殖形式——接合生殖；而且纖毛蟲還具有獨特的細胞核二態(tài)性（即細胞內(nèi)同時存在生殖系小核和體細胞系大核）。因此，纖毛蟲在有性生殖過程中除了經(jīng)歷有絲分裂、減數(shù)分裂、受精、細胞結(jié)構(gòu)重塑之外，還會經(jīng)歷廣泛的基因組重排等過程，揭示這些過程中涉及的調(diào)控因子和分子機制可以極大地增強我們對有性生殖起源和演化的理解。我們目前對這些機制的理解主要來自模式物種四膜蟲（Tetrahymena thermophila）和草履蟲（Paramecium tetraurelia）的研究。然而，有性生殖的過程和調(diào)控在不同纖毛蟲中差異顯著，尤其對于高度多樣和復雜的海洋類群的研究幾乎空白。

圖1. 扇形游仆蟲的生活史過程和轉(zhuǎn)錄組/蛋白組采樣階段

中國海洋大學宋微波院士團隊30年來一直致力于海洋纖毛蟲多樣性的研究，被國際同行譽為“全球海洋纖毛蟲學的研究中心”。在此基礎(chǔ)上，高鳳教授帶領(lǐng)課題組成員選擇其中最為高等特化的海洋游仆類纖毛蟲——扇形游仆蟲（Euplotes vannus），構(gòu)建了海洋纖毛蟲新模式體系，并基于此模式探討有性生殖過程相關(guān)的分子機制。前期課題組刻畫了扇形游仆蟲完整的生活史過程，解析了其大核基因組“一個基因一條染色體”的結(jié)構(gòu)特征，并構(gòu)建了其高質(zhì)量的大核基因組數(shù)據(jù)庫。

為了揭示參與有性生殖過程的基因和蛋白，該研究通過對扇形游仆蟲 14 個生活史階段的轉(zhuǎn)錄組分析，解析出超過 26,000 個在不同階段特異表達的基因，涉及 DNA 復制、轉(zhuǎn)錄、翻譯、有絲分裂、減數(shù)分裂、細胞核分化、基因組重排等多個重要生物學過程。通過物種間的比較，顯示出基因表達高度的物種特異性，暗示了纖毛蟲分子層面的高度多樣性。通過定量蛋白組學分析確定了300多個在有性生殖和新大核發(fā)育過程中發(fā)揮功能的重要蛋白，包括 Dicer-like、Hsp90、核糖體相關(guān)蛋白、泛素相關(guān)蛋白、非同源末端連接蛋白、RNA 聚合酶 II 和轉(zhuǎn)錄延伸因子等，參與細胞分裂、基因表達調(diào)控等重要過程。

聚焦新大核發(fā)育階段，該研究鑒定到了 4 個 PIWI-like新蛋白，它們在有性生殖期間具有兩種不同的表達模式，可能在小RNA 介導的基因組重排過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。這一發(fā)現(xiàn)不僅豐富了人們對非編碼RNA在基因組調(diào)控中作用的認識，也為后續(xù)開發(fā)新的基因編輯工具提供了潛在的方向。此外，在新大核發(fā)育階段還鑒定到大批功能未知且顯著上調(diào)的基因和蛋白，對這些未知基因和蛋白的深入研究或?qū)⒏M一步探索基因組重排和有性生殖的奧秘。

高鳳教授為該論文的通訊作者，第一作者為課題組博士畢業(yè)生蔣瑤翰。該工作得到國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金項目、山東省自然科學基金杰出青年科學基金項目、嶗山實驗室科技創(chuàng)新項目等資助。

圖2. 扇形游仆蟲生活史不同階段的基因差異表達分析

圖3. 不同纖毛蟲有性生殖過程中差異表達基因的比較