Molecular Biology and Evolution | 穿山甲蟻食習性和鱗片生成適應(yīng)性進化全新分子機制研究
2022年12月31日, Molecular Biology and Evolution正式發(fā)表了廣西林科院、佛山科學技術(shù)學院、中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所和廣西大學合作的題為“High-quality genomes of pangolins: Insights into the molecular basis of scale formation and adaption to myrmecophagous diet”的研究論文。
穿山甲是我國一級保護動物，也是世界上僅存的鱗甲目哺乳動物，全球現(xiàn)存8種，主要分布于非洲和亞洲的熱帶、亞熱帶地區(qū)，以白蟻和螞蟻為食，一只成年穿山甲飽食的胃內(nèi)容納有500克白蟻，也被稱為“森林衛(wèi)士”。分布在中國境內(nèi)的主要是中華穿山甲和馬來穿山甲，雖然穿山甲對生態(tài)平衡有重要意義，但由于樣本獲取困難，缺乏高質(zhì)量基因組等因素，導(dǎo)致對其獨特生物學特征的分子研究還十分缺失。本研究構(gòu)建了馬來穿山甲和中華穿山甲染色體級別基因組，對穿山甲22個不同組織進行了的轉(zhuǎn)錄組測序分析，并對穿山甲背部長鱗片組織和腹部無鱗片組織進行了比較轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組分析。
穿山甲基因組構(gòu)建和注釋流程
通過物種間基因組轉(zhuǎn)錄組的比較分析發(fā)現(xiàn)，首先解釋了穿山甲為適應(yīng)蟻食性而在胃部形成厚重角質(zhì)層的分子機制，穿山甲在進化過程中失去牙齒結(jié)構(gòu)，正是通過胃部的角質(zhì)層進行攆磨食物，這樣的胃部結(jié)構(gòu)也是穿山甲物種特有的。研究發(fā)現(xiàn)穿山甲基因組皮膚結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域（EDC）經(jīng)歷了特殊的進化歷史，大量角質(zhì)形成基因在穿山甲胃部得到超量表達，使其形成獨特胃部結(jié)構(gòu)。之前的研究都普遍認為EDC基因可以合成皮膚角質(zhì)層形成不可或缺的蛋白，因此在哺乳動物間高度保守，是只在皮膚組織中表達的一類基因。然而穿山甲基因組和轉(zhuǎn)錄組學都表明其EDC基因的種類、基因排列順序、組織特異性表達模式與近源物種都存在顯著差異，這種調(diào)控的改變也使得穿山甲胃部獲得形成角質(zhì)層的能力。
穿山甲EDC區(qū)域特有結(jié)構(gòu)變異的鑒定
穿山甲是哺乳動物中僅存少數(shù)幾種長有鱗片的，本研究另一方面研究鑒定到造就穿山甲鱗片堅硬特性最為關(guān)鍵蛋白。在之前鱗片氨基酸成分的分析就已發(fā)現(xiàn)其擁有所有哺乳動物毛發(fā)中最高比例的酪蛋白，然而其基因來源一直未知，通過構(gòu)建的完整的基因組分析發(fā)現(xiàn)穿山甲HGT-KRTAP家族發(fā)生特有擴張，穿山甲HGT-KRTAP不僅是基因拷貝數(shù)目還是蛋白序列中酪蛋白所占比例都遠遠高于其他物種，通過掃描穿山甲所有蛋白氨基酸含量，HGT-KRTAP也是穿山甲唯一一類有高酪蛋白含量特性的分子。研究進一步比較穿山甲腹部毛發(fā)和背部鱗片的轉(zhuǎn)錄組和蛋白組，幾乎全部HGT-KRTAP在鱗片中都有更為豐富的含量。
穿山甲HGT-KRTAP基因家族的擴張
該論文由佛山科學技術(shù)學院生命科學與工程學院劉慶友教授為主要通訊作者，廣西林科院閆鼎羽研究員、中國農(nóng)業(yè)科學院深圳基因組研究所優(yōu)秀青年基金獲得者阮玨研究員為共同通訊作者。佛山科學技術(shù)學院特聘青年研究員教師羅西爾和廣西大學唐佳斌碩士研究生為論文共同第一作者。該研究得到國家自然科學基金（91731304，U20A2051）、廣西卓越學者創(chuàng)新團隊等項目資助。劉慶友教授團隊致力于多組學解析動物重要經(jīng)濟性狀形成的分子調(diào)控機制，該團隊已在《Nature Communications》《National Science Review》等國際期刊發(fā)表了系列論文。該項研究是團隊在多組學解析珍惜保護動物穿山甲重要性狀形成的調(diào)控機制研究的重要突破，對于穿山甲進化和獨特功能形成的分子機制具有重要意義，同時對于穿山甲保護也具有一定的價值。