蛇类特有性状的演化遗传机制

蛇类系统发育框架

蛇类四肢缺失、身体延长、内脏器官不对称发育等重要遗传机制

成语画蛇添足，常用于形容做事多此一举，因为蛇并无脚。

但爬行动物领域的研究学者认为，蛇的祖先是蜥蜴，在远古时期，蛇也是有脚的，只是在演化过程中失去了。近日，这一说法得到了进一步证实。

经过长达五年的研究，基于大规模多组学技术与基因编辑等研究手段，中国科学院成都生物研究所（以下简称成都生物所）研究员李家堂极其团队全面揭示了蛇类起源及特有表型演化的遗传机制。相关论文于6月19日晚在《细胞》正式上线，后续将于7月6日作为封面文章发表。

此次研究中，李家堂团队画了一张“家谱”，即基于染色体水平蛇类基因组数据集构建了迄今最有力的蛇类系统发育框架，进一步支持了蛇类起源于约1.18亿年前早白垩纪，以及蛇类是由蜥蜴演化而来的假说。

“迄今最有力”，意为研究的物种覆盖更广，收集的数据更多，基因测序更全也更可信。

同时，他们找到了一些“罪魁祸首”，即影响或导致蛇四肢缺失、身体延长、器官不对称的基因或调控元件，揭示了背后重要的遗传机制。


样本选取 以“最少”覆盖“更多”

在地球上，生活着四千多种各式各样的蛇。这些蛇何时“出世”的，亲缘关系如何，祖先是谁？爬行动物领域内的专家一直在试着画出这样的蛇族“族谱”，即系统发育树状图。

“基于基因组学，之前有研究者就蛇类某个单一的属或者科，做了系统发育框架。”但李家堂想要画一张覆盖更广，更具全球视角的“图”。2015年，他开始谋划，并于2018年正式启动。

考虑到全球有四千多种蛇，共35个科，为提高研究效率和可操作性，样本选取很重要。而且每个科下所属的数量并不均衡，有些科内只有少量物种，有的科则涵盖了八百多个物种。

“我们要以‘最少’的样本覆盖‘更多’的科，选取的物种样本不在于多，能刚好代表和尽量覆盖所有科的特征就行，有普适的意义。”论文一作、成都生物所助理研究员任金龙表示，相较于其他科的物种，同一个科内的物种之间，会有更近的亲缘关系，也更相似。

物种分类有“纲目科属种”，为何以“科”为单位进行样本选取？任金龙表示，这样操作会更“现实”。“例如以‘属’为单位，蛇类有700多个属，类群太多。”

最终，研究团队选取了12个不同科的蛇进行基因组测序，采集的样本量，能够覆盖代表84%现生蛇类类群的科级阶元。基因组测序对样本要求高，为了获取新鲜的样本，研究期间团队每年都会花上2到3个月，外出科考，足迹遍布华南、华北和西南。有的行至高原，找到了西藏温泉蛇一属三种，有的步入新疆沙漠，带回了东方沙蟒的珍贵样本。

要是涉及到国外类群，团队就通过国际合作渠道，获取相关样本进行测序，或者直接共享数据。

选择哪一部分身体组织进行基因提取也有讲究。“蛇的体型比较小，组织不太容易保存，而且有的组织提取出的DNA质量会差。”论文一作、成都生物所博士生彭长军介绍，从蛇的肝脏、肌肉这样的组织里提取，效果会更好。

值得一提的是，数据采集期间，除了选取蛇类近缘的内群样本，团队也收集了可能会有近缘关系的“外群”物种样本，例如科莫多巨蜥、扬子鳄等，看是否能通过基因组学手段印证猜想。


画张“家谱” 推测蛇类起源于1.18亿年前早白垩纪

样本采集好后，通过多种高通量测序技术，团队从头组装了代表了12个不同蛇科的14个高质量参考基因组，其中有12个为染色体水平，说明这次研究数据精细到染色体的层面。

“而且我们测定的是全基因组数据，获取了更多的遗传信息，来印证和支持我们的假说。以前类似的研究都只是测定一个物种的几个基因片段，支持率并不高。”李家堂透露，其他研究团队基于一个基因片段得到的数据量大概只有一两千个bp，而这次研究中，基于全基因组比对获取了接近51Mb的数据用于构建基因组级别的系统发育树。

基于对数据的研究，团队构建了一个蛇类“家谱”树状图。其描述了不同物种或者类群的亲缘或进化关系，以及大致出现顺序。其中，追溯到同一分支点的路径越短，说明类群或物种间的亲缘关系越近。

要想确定物种出现的大致时间，一般会用到化石校正点的方法。

“例如我们要推测游蛇科出现的时间，我们先要找到迄今为止发现最早的游蛇类化石，至于化石的年代可用碳14断代法测定。”任金龙表示，类群出现的时间绝不会晚于化石形成的时间。“所以我们以此作推断，并对之前构建的系统发生树时间节点进行校正。”

校正完成后，蛇类系统发育框架基本搭建。其横向标明的是时间，纵向是系统发生树。通过这个系统框架可见，蛇类起源于1.18亿年前早白垩纪，与最近缘的类群，即科摩多巨蜥与帝王蛇蜥的最近共同祖先是姐妹枝，提示了蛇类的祖先可能是某种蜥蜴。

蛇类最先分化出的类群为盲蛇（盲蛇科和细盲蛇科），而且在白垩纪-早第三纪分界点（距今6500万年前），树状图显示分化的点多且分支变密集了。“当时正值恐龙大灭绝，提供了大量的生态位，让蛇类有了快速辐射式的增长。”任金龙指出。


基因手段 揭示特殊表型的演化机制

因为环境的变化，蛇的祖先开始了穴居生活。为了更好适应，阻碍行动的四肢被“淘汰”。在后续的演化中，因视力所限，部分蛇发展出了其他定位“猎物”的本领，例如感知红外线。有的蛇，为了活命，还要“习惯”吃蚂蚁或者蚂蚁卵。

慢慢地，蛇的分布越来越广，除了南极洲以外的陆地、海洋、森林、高原和荒漠，都有它的踪迹。“我们想从基因的角度，去解读他们是如何适应这些复杂环境的。”李家堂表示。

根据比较基因组学原理，脊椎动物中，蛇类和其他类别动物有很多发挥相同功能的“同源”基因，但是存在细微差别。而这种差别可能体现在DNA层面的碱基序列或者氨基酸序列的不同或改变，从而导致了不同类群在同一性状上的区别。

但任金龙指出，一个性状可能由极多的基因决定，而且性状的改变是由不同通路调节下的复杂途径所实现的。“所以有时还要结合其他遗传信息进行判断。”

他举例，此次研究中，经过对比发现，蛇的PTCH1基因有可能影响四肢发育。“这个基因在人类、蛇类、小鼠中都有，但是发挥的‘效用’不大相同，其中蛇类的PTCH1基因蛋白特异性缺失了三个氨基酸残基。”

为了印证猜想，就要进行功能实验。团队利用基因编辑小鼠，让蛇类PTCH1基因序列中的“缺陷”在小鼠中实现，发现小鼠的四肢，尤其是指骨方面有明显的缩短。基于此可以判断，蛇类PTCH1氨基酸中片段的缺失很可能影响四肢发育。

同样按照上述研究方法，团队发现，四肢丢失后，蛇类的体节数增加，且身体被拉长，正是因为控制脊椎前端发育和后端发育的重要基因受到强烈正选择。

此外，研究团队发现蛇类丢失了控制器官对称发育的DNAH11和FXJ1B基因。“可能就是导致其左右肺不对称，只有一侧右肺的原因，因为要去适应身体的延长。”李家堂表示。

蛇有得天独厚的感热器官“颊窝”，里面有一厚约10μm、布满神经末梢的薄膜，对红外光特别敏感，能测出小至0.002℃的温度变化，帮助蛇判别猎物的位置。围绕这一特性，研究探讨了红外感应蛇类演化遗传机制，发现了与热响应相关的PMP22基因，以及与三叉神经发育相关的NFIB基因的非编码调控元件在部分蛇类中趋同演化，成为这类蛇感知红外光谱的重要遗传驱动力。


未来方向 为抗蛇毒衍生药物的研发提供支撑

回溯这五年的研究历程，论文通讯作者李家堂坦言，这项科研工作不在于难，而在于“坚持”，“我们有扎实的蛇类研究基础，并受益于前辈积累的丰富资料，利用多学科交叉研究手段，从更广泛、多维度的视角，对蛇类的起源和系统发育，特殊性状的遗传机制进行研究。”

他指出，蛇处于脊椎动物演化的关键节点，因具有高度特化的重要表型如四肢缺失、脊柱延长等，被视为脊椎动物演化史上一独特的类群，是研究动物复杂性状形成机制的理想物种。

此次研究率先开展了爬行动物大规模组学研究，研究结果可加深对蛇类的起源及其复杂性状形成机制的理解，推动了爬行动物乃至脊椎动物演化发育生物学的发展。

从医学角度来讲，研究揭示的遗传信息将为动物遗传育种及人类复杂疾病的研究提供重要启示。例如可以通过深入研究揭示影响蛇肺不对称的遗传机制，从而帮助解析人类相关疾病的成因，以探索治疗办法。

此外，研究蛇类红外感应这一特性，还有助于开发设计仿生蛇类红外探测原理的产品，运用于实际生活。

采访中，李家堂透露，团队将推动从基础科学到应用基础科学的发展，更好地服务国家重大战略需求。“聚焦开发玉米蛇为模式动物，并开展演化发育生物学研究。同时，根据这次研究的思路和方法，开展蛇毒等重要遗传资源的挖掘和运用，为抗蛇毒血清及蛇毒衍生药物的研发提供科学支撑。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.05.030