鸟类用3000万年学会飞翔

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鸟类用3000万年学会飞翔

来源:广州日报 日期:2017-02-08

鸟的飞羽

飞翔的小鸟资料图片

  中国国家基因库研究团队与国内外同行发表研究成果 鸟类何以飞翔的基因密码被解开

  你小时候有没有羡慕过在空中自由飞翔的小鸟?你知道它们为什么可以飞吗?科学家已经解开了鸟类何以飞翔的基因密码。深圳的国家基因库生物多样性基因组学团队、华大基因、日本东北大学、东京大学、昆明动物研究所等单位的科学家们共同揭开鸟类特有性状的形成及宏观演化之谜——特异性保守序列对鸟类特有性状的宏观演化起到重要作用。相关研究成果于2月6日晚北京时间20时许在Nature Communications(《自然通讯》电子期刊)上发表。

  “这项研究是一个多学科综合的成果,集合了基因组学、发育生物学、演化生物学和古生物学等多个学科的知识,为系统了解生物复杂演化机制提供了重要的借鉴。” 鸟纲基因组计划(B10K)负责人及本项研究的通讯作者张国捷研究员表示。

  基因调控决定鸟类特异性

  翅膀上的飞羽是鸟类飞行能力的最重要特征。尽管鸟类具有极为丰富的生物多样性,但几乎所有的鸟类均可以飞翔,也具有鸟喙、中空质轻的骨头等能力。这些鸟类独有的特征如何在演化中得以形成,是演化生物学里最基础的问题之一。

  张国捷说,研究者首先猜测鸟类的特异性表型可能与其基因组特异性的保守DNA序列有关,即这些序列由于受到强烈的自然选择压力在所有鸟类中很少发生变化,但在其他脊椎动物里这些序列要么不存在,要么发生了很大的变化。

  为此,研究团队通过比较48个已知鸟类物种的基因组和9个其他类群脊椎动物基因组(涵盖哺乳类、爬行类、两栖类和鱼类),发现大概1%的鸟类基因组区域属于鸟类基因组特异性保守序列(ASHCEs),而超过99%的ASHCEs都落在非编码区。

  在比较蛋白编码基因数目时发现,跟其他脊椎动物相比,鸟类基因组极少产生新的蛋白编码基因。由此研究者们推断,鸟类特异表型的产生并不是通过增加新的蛋白编码基因来实现,而是通过改变非编码区的调控序列,从而影响基因的表达,即ASHCEs可能包含重要的基因调控功能。

  此外,研究者们使用染色质免疫共沉淀技术(ChIP-seq)获取鸡胚胎不同发育时期的三种组蛋白修饰图谱进行分析,发现这三种染色质组蛋白修饰都在ASHCEs中显著富集。其中一些ASHCEs在不同发育时期呈现出不同程度的组蛋白修饰水平,说明这些元件很可能是鸟类特有的参与发育调控的增强子或调控序列。

  与恐龙分化后鸟类形成了飞羽

  研究团队为深入研究ASHCEs在鸟类发育中的调控功能,用原位杂交技术检测100个ASHCE关联基因在胚胎发育中的表达模式。通过比较鸡、壁虎和小鼠的胚胎发育过程,研究者识出多个基因在鸟类胚胎发育过程中有着特异表达模式。

  最有意思的是SIM1基因,它只在鸡胚胎中表达,其表达时间和位置与飞羽的发育时间和位置相契合。飞羽是特化的羽毛,飞羽的出现是鸟类拥有了飞翔能力的关键因素。研究者将SIM1关联的一个ASHCE序列结合绿色荧光蛋白转入小鼠胚胎中,转基因小鼠胚胎中的绿色荧光蛋白即呈现出与鸡胚胎中SMI1一致的表达模式,验证了SIM1关联ASHCE元件具有增强子功能。

  因此,研究者认为SIM1基因以及其关联的ASHCE对鸟类飞羽的形成有着重要的作用。而这个鸟类特有性状正是因为鸟类祖先在与其他恐龙分化后,SIM1基因附近获得一个关联ASHCE元件,促使了鸟类飞羽的表达,也使得鸟类获得飞翔的功能。

  鸟类不仅在翅膀上生长出飞羽,在尾巴上也长着同样类型的羽毛,成为雄鸟展示自身,吸引异性的重要装饰。研究团队根据恐龙化石和早期鸟类祖先化石发现,翅膀上的飞羽和尾巴上的飞羽是在同一时期演化形成。根据SIM1基因在翅膀和尾巴的表达模式,研究人员推测两个部位的飞羽可能有相同的分子演化机制。

  SIM1是控制飞羽形成的关键基因

  SIM1鸟类特异的增强子是在恐龙时代获得的。根据化石记录推定,鸟类约在1亿7千多万年前侏罗纪时期获得初级的飞羽。而这个增强子约在1亿4千万年前开始受到强烈的自然选择压力,开始在鸟类基因组固定下来。此时恰好与鸟类祖先首次出现真正意义的现代飞羽的时间吻合。在这一时期鸟类进一步提高了其飞行能力。

  “这可以理解为鸟类用3000万年学会了飞翔。”张国捷说。此外,研究人员还发现有些驯化的鸟类比如鸡和鸽子,由于人为的选择,有些品系甚至在腿上也长着相同的飞羽,在这些品系的腿部同样能检测到SIM1基因的表达,更进一步证明SIM1是控制飞羽形成的关键基因。

  张国捷研究员介绍,鸟类采取了与其他物种不同的方式来实现其生物特征的演化,即不需要借助新基因的产生,而是改变其中的非编码序列来实现对基因功能的特异性调控。“为适应飞行,鸟类面临着强大的选择压力,因而只保留了很小的基因组,所以在演化过程中很少产生新的基因。但通过对少数的非编码元件的修改也使得鸟类获得了许多其他物种所没有的特异性状。”