|
男女有別，雌雄異體是我們司空見(jiàn)慣的自然現(xiàn)象。然而其實(shí)絕大多數(shù)的植物沒(méi)有性別，或者為雌雄同株。鮮為人知的是，即使是動(dòng)物中，如果我們不考慮昆蟲(chóng)，也有至少三分之一的動(dòng)物（例如我們熟悉的蝸牛、蚯蚓、藤壺）則為雌雄同體，或者在生長(zhǎng)發(fā)育的不同階段同一個(gè)個(gè)體可以經(jīng)歷雌雄轉(zhuǎn)換（如小丑魚(yú)）。因此生物的生殖方式如何由無(wú)性演化成有性，以及決定生物性別的性染色體如何起源和演化一直是最為基本和重要的生物學(xué)問(wèn)題之一。但長(zhǎng)期以來(lái)由于大多數(shù)被深入研究的模式物種都為有性生殖物種，距離它們性別或者性染色體最早起源的時(shí)間太過(guò)久遠(yuǎn)，這些問(wèn)題一直沒(méi)有解答。2022年6月10日，浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院與生命演化研究中心周琦課題組在Nature Communications雜志上發(fā)表了題為Evolution of sexual systems, sex chromosomes and sex-linked gene transcription in flatworms and roundworms 的研究論文,系統(tǒng)闡述了扁形動(dòng)物門(mén)和線蟲(chóng)動(dòng)物門(mén)物種的性別和性別染色體是如何起源和演化的。這兩個(gè)龐大的分類階元包含了大量造成人類或者家禽家畜嚴(yán)重疾病的寄生蟲(chóng)。其中包括扁形動(dòng)物門(mén)的血吸蟲(chóng)，其導(dǎo)致的疾病是繼瘧疾之后世界上傳播最廣的寄生蟲(chóng)病。世界衛(wèi)生組織估計(jì)直至2022年全球約有7.79億人面臨血吸蟲(chóng)感染風(fēng)險(xiǎn)。而線蟲(chóng)動(dòng)物門(mén)除了科學(xué)家熟悉的模式動(dòng)物秀麗隱桿線蟲(chóng)，也包含了其他會(huì)引起疾病的蛔蟲(chóng)、絲蟲(chóng)、鞭蟲(chóng)和鉤蟲(chóng)。值得注意的是，許多這些物種在比較晚近的演化時(shí)間階段經(jīng)歷了由無(wú)性向有性生殖（或反之）的轉(zhuǎn)換，是不可多得的研究動(dòng)物性別如何起源的模型。圖1 本研究所囊括的物種及其數(shù)據(jù)類型作者通過(guò)深入挖掘公共數(shù)據(jù)庫(kù)中41個(gè)線蟲(chóng)門(mén)物種和13個(gè)扁形動(dòng)物門(mén)物種的基因組和轉(zhuǎn)錄組的數(shù)據(jù) （圖1），首次鑒定出17個(gè)線蟲(chóng)門(mén)物種的性別相關(guān)區(qū)域以及它們性別染色體的基本組成。它們的性別染色體是由所有線蟲(chóng)門(mén)物種共享的古老的染色體元件（被稱為Nigon元件【1】，根據(jù)著名線蟲(chóng)生物學(xué)家Victor Nigon的名字而來(lái)；類似果蠅的染色體也根據(jù)著名果蠅遺傳學(xué)家Hermann Muller被命名為Muller元件一樣），通過(guò)在演化過(guò)程中如同不同的樂(lè)高積木發(fā)生相互不同的組合而成（圖2）。當(dāng)原本是常染色體的Nigon染色體元件，與古老的性染色體（比如秀麗隱桿線蟲(chóng)的性染色體對(duì)應(yīng)于N和X兩個(gè)Nigon元件）發(fā)生融合或者易位以后，常染色體會(huì)逐步演化成為新的性染色體，并且發(fā)生重組抑制。像其他古老的性染色體一樣，逐步丟失掉不發(fā)生重組的性染色體上的基因，直至完全退化甚至完全消失，也就形成了秀麗隱桿線蟲(chóng)或者其他許多線蟲(chóng)物種中的XO性染色體類型（即雌性為XX，雄性沒(méi)有Y染色體只有一條X染色體）。 圖2 線蟲(chóng)動(dòng)物門(mén)代表物種的性染色體組成。紅色圓弧為該物種的性染色體，圖中顯示了與其同源的其他Nigon染色體單元。不同物種的性染色體由不同的染色體單元組成。 研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這些線蟲(chóng)或者血吸蟲(chóng)在不同的染色體元件相互融合或者易位以后，在演化過(guò)程中在不同的時(shí)間點(diǎn)發(fā)生重組抑制，從而形成了兩條性染色體不同區(qū)域的“演化斷層【2】”。這一模式在周琦課題組前期在哺乳動(dòng)物和鳥(niǎo)類的性染色體研究中也有報(bào)道【3】，具體反映為性染色體不同區(qū)域之間截然不同的序列分歧度，對(duì)應(yīng)了它們發(fā)生重組抑制的不同時(shí)間點(diǎn)。最后，由于扁形動(dòng)物門(mén)中只有吸蟲(chóng)為雌雄異體，其他的物種(如渦蟲(chóng)，絳蟲(chóng)等)都為雌雄同體，而兩者分歧僅為70百萬(wàn)年以內(nèi)【4】。因此通過(guò)對(duì)它們的比較可以揭示從扁形動(dòng)物門(mén)無(wú)性生殖的祖先向有性生殖的吸蟲(chóng)演化過(guò)程中，基因組和轉(zhuǎn)錄組所發(fā)生的變化規(guī)律。研究鑒定了一個(gè)在果蠅和吸蟲(chóng)中都功能高度保守的雌性相關(guān)的基因mag-1，該基因可能發(fā)生的隱性突變可能使雌雄同體的祖先雌性不育從而產(chǎn)生雄性個(gè)體。其次，第二個(gè)突變可能產(chǎn)生了雌性化基因U2AF2【5】，從而完成了性別系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換過(guò)程（圖3）。而全基因組水平來(lái)說(shuō)，該轉(zhuǎn)化過(guò)程主要涉及性腺轉(zhuǎn)錄組偏向去雌性化 (即雌雄異體物種卵巢中的基因表達(dá)量相比雌雄同體的祖先性腺總體下降) 的過(guò)程。在線蟲(chóng)動(dòng)物門(mén)中，秀麗隱桿線蟲(chóng)發(fā)生了相反的轉(zhuǎn)化，即由雌雄異體的祖先丟失了性別，反向演化為雄性和雌雄同體，而相應(yīng)地，這一轉(zhuǎn)化主要涉及轉(zhuǎn)錄組水平的去雌性化和雄性化。圖3 扁形蟲(chóng)和線蟲(chóng)中無(wú)性和有性生殖方式相互轉(zhuǎn)換的機(jī)制總結(jié)而言，該研究是首次對(duì)扁形動(dòng)物門(mén)和線蟲(chóng)動(dòng)物門(mén)物種性染色體演化歷史的系統(tǒng)性構(gòu)建，提供了它們性染色體組成的全面的歷史縱覽，揭示它們的性染色體的多樣性主要是由不同的古老的染色體元件相互融合或易位而造成。而研究中新鑒定的性別連鎖的基因，也將對(duì)未來(lái)通過(guò)干擾這些寄生蟲(chóng)的性別繁殖生活史提供重要的依據(jù)。本研究是由浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院的周琦實(shí)驗(yàn)室的博士生王一楓，與澳大利亞墨爾本大學(xué)的Robin Gasser教授，和英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的Deborah Charlesworth教授共同合作完成。https://www./articles/s41467-022-30578-z.pdf參考網(wǎng)址 https://www./zh/news-room/events/detail/2022/02/15/default-calendar/launch-who-guideline-on-control-and-elimination-of-human-schistosomiasis https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/9/417286.shtm
|
