双壳贝类Hox基因簇“分段共线性”表达模式的分子调控解析

Hox genes are highly conserved transcriptional factors and are usually present in gene clusters in animal genomes. They play crucial roles in determining the animal's body plan during early animal development. To date, Hox genes have been extensively studied in model animals, but Hox studies in molluscs (an animal group with extremely high diversity of body plans) remain scarce and need further exploration. Our previous study showed that different from model animals, bivalve Hox cluster exhibits a novel expression mode of ''sub-cluster temporal collinearity (STC)'', which also exists in ancient protostomes/deuterostomes and therefore likely represents the ancestral state in the Hox cluster of bilaterian ancestors. In this project, we plan to utilize multiple research tools (e.g. from developmental biology, epigenomics) to investigate the molecular regulation mechanisms of the STC expression mode of scallop Hox cluster. This study will deepen our understanding of the functionality and molecular regulation of bivalve Hox cluster in body plan formation, as well as their biological significance. The obtained results are anticipated to provide new insights into the origin and evolution of body plan diversity of molluscs.

Hox基因是动物基因组内高度保守并通常呈簇存在的一类转录因子，在动物早期发育阶段躯体结构形成中起着决定性的作用。目前Hox基因在模式生物中得到了广泛的研究，但对于具有最为丰富躯体结构多样性的软体动物类群，相关研究还比较匮乏并有待深入。课题组前期研究发现，与模式动物不同，双壳贝类Hox基因簇呈现独特的“分段时间共线性（STC）”表达模式，且该模式存在于古老原口/后口动物类群，很可能为双侧动物祖先Hox基因簇形成之初的表达模式。本研究拟综合利用发育生物学和多种组学等研究手段，系统解析扇贝Hox基因簇STC表达模式的分子调控基础，以深入理解其在双壳贝类躯体结构形成中的调控机制及其生物学意义，以期为理解软体动物躯体模式多样性的起源和演化提供新的认知。

Hox基因簇在动物躯体结构形成中起着决定性作用，课题组前期研究发现，与模式动物不同，双壳贝类Hox基因簇呈现独特的“分段时间共线性（STC）”表达模式，且该模式很可能是双侧动物祖先Hox基因簇形成之初的表达模式。本项目开展4年以来，以扇贝为主要研究对象，综合利用发育生物学和多种组学手段，对扇贝Hox基因簇STC表达模式的分子调控基础进行了解析，主要内容包括：1）完成了深海笠贝、欧洲大扇贝的高质量基因组拼接及Hox基因簇的完整注释，系统综述了Hox基因簇体轴发育调控模式的演化；2）初步解析了Hox基因簇STC表达模式的表观调控机制，包括甲基化修饰水平、H3K4me3组蛋白修饰水平，表明Hox基因簇顶点基因H3K4me3修饰的同时高水平化调控了扇贝Hox基因簇的STC表达模式；3）系统分析了Hox基因簇的时空表达模式，结合单细胞基因共表达网络、Chip-seq实验、基因表达扰动实验等，初步解析了Hox基因簇的调控网络；4）系统构建了虾夷扇贝全发育时期的转录组图谱，完成了对贝类幼虫躯体结构的发育调控和进化起源解析，提出幼虫发育进化的新假说模型。以上成果为理解Hox基因STC表达模式起源进化及寒武纪躯体模式大爆发提供了新视角。本项目发表研究论文9篇，包括Nature Ecology & Evolution，Nucleic Acids Research等国际高水平期刊，学术成果入选2020年度中国海洋与湖沼十大科技进展。