鲸类消化酶基因的进化及其与食性转变的关系

Animals obtain nutrition and energy from environments for their life activities, and then for their individual survival and reproduction, and population growth as well. For this reason, food habit shift in response to environmental changes is one of the important aspects of animal adaptation. During the secondary going back to the aquatic environments from lands, cetaceans must have faced with the dramatic changes of survival environment and food availability, which led to the food habit change from herbivore of ancestral terrestrial even-toed ungulates which fed on various plants, to carnivore of extant cetaceans which feed on other animals such as fishes, shrimps, and squids etc. Food habit shift is therefore the result of a "game" between animals and environments. However, up to date, there has been little understanding on the molecular mechanism for food habit shift of cetaceans. In this study, we will try to address evolutionary mode and driving mechanisms of digestive enzyme genes (such as pepsin, parenzyme, chymotrypsin, pancreatopeptidase, erepsin, pancreatic lipase and ɑ-amylase ) in the origin, evolution, and adaptive radiation of cetaceans, through molecular cloning and comparative bioinformatics analyses of these genes in cetaceans and other mammals. We aim to explore the molecular evolutionary mechanism for the food habit shift and its association with aquatic adaptation of cetaceans on one hand. On the other hand, we also want to reveal overall evolution history of the mammalian digestive enzyme genes with data or evidences from some important lineages or critical evolutionary stages.

动物从环境中获取食物来满足生命活动所需要的能量和营养需求，以实现个体生存、繁衍及种群延续。因此，食性变化是动物对环境变化作出"博弈"选择的结果，是动物对环境适应的重要内容。鲸类从陆地重返海洋的过程中，由于生存环境及食物获得性的巨大变化，导致其食性从祖先的草食性变为现生鲸类的肉食性。但迄今为止，人们对鲸类食性转变的分子机制并不了解。本项目通过对鲸类及其它哺乳动物消化酶类（如胃蛋白酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶、胰肽酶、肠肽酶、胰脂肪酶和α-淀粉酶等）基因的克隆与生物信息学分析比较，了解不同酶基因在鲸类及其不同类群的起源、分化和适应性辐射过程中的进化模式和驱动机制。一方面，探索鲸类食性转变的分子机制及其与水生适应的关系，另一方面，为揭示哺乳动物消化酶基因的进化规律这一重要科学问题，提供来自某些重要或关键进化环节的资料和证据。

鲸类起源于陆生偶蹄动物，为适应次生水生生活，经历了由草食性到肉食性的转变，而这一转变的分子机制尚不清楚。本项目选取29个与消化相关的基因，包括蛋白酶、肠激酶、胃质子泵、脂肪酶、胆汁合成限速酶、淀粉酶和胃肠激素，分别与其它哺乳动物同源序列进行生物信息学分析，从而揭示鲸类食性转变的分子遗传学基础。.结果表明：①胰腺蛋白酶家族在鲸类中均保留一个基因为功能基因，而家族中的其它基因在鲸类中均假基因化。PRSS1、CTRC、CELA3B基因在鲸类中检测到强烈的正选择信号，这提示伴随着食性转变，胰腺蛋白酶家族基因可能为了确保关键基因能够有效的表达，均保留了一个功能基因并且该基因进化出了更强的消化膳食蛋白的能力，相反家族中的其它基因为了节约能量与资源而发生了假基因化。肠激酶可激活胰蛋白酶，TMPRSS15在鲸类中也检测到了正选择，表明该基因在鲸类食性转变过程中也发挥重要的作用。.②胃部与消化蛋白相关的PGA基因在鲸类中同样检测到强烈的正选择，这提示虽然鲸类仍保留着类似食草祖先多孔室胃结构，但是胃部PGA基因可能在应答鲸类食性转变过程中产生了适应性进化。.③脂肪酶基因LIPF、PNLIP、PLRP2和胆汁合成限速酶基因CYP7A1也在鲸类中检测到正选择，这提示可能与鲸类应对高脂肪的食物相关。.④通过重构功能基因祖先序列，在17个与消化相关基因中发现肉食动物（食肉目和鲸类）之间特异的趋同和平行位点，提示它们为鲸类食性转变提供分子基础。.⑤此外，与偶蹄目含有多拷贝RNase1不同的是，现生鲸类仅有1个RNase1拷贝，通过实验验证鲸类RNase1的最适pH值范围更偏碱性。鲸类RNase1家族基因多拷贝的丢失与鲸类从食草到食肉性质的转变相一致，这提示鲸类可能为了适应食性转变仅保留一个RNase1拷贝，并且保留的RNase1基因为了更高效地消化膳食RNA产生了适应性进化。.本研究首次揭示了鲸类在起源和分化过程中食性转变的遗传机制，并为研究哺乳动物消化酶基因的进化规律提供了重要的进化环节的资料和证据。