回声定位蝙蝠转录组的趋同演化与基因表达调控网络的解析

Echolocation, an adaptive special sensory system, independently originated and evolved in echolocating bats and toothed whales. In recent years, the preliminary investigation for the molecular mechanisms of echolocation was finished by identifying several related genes at the gene sequence level based on the molecular adaptive convergence theory. However, echolocation is a complex trait involving many systems, and thus besides the changes of gene sequences, deciphering the gene transcriptional regulatory networks is a key component for comprehensively revealing the molecular mechanisms of echolocation. In this project, we will compare the transcriptomes from different tissues between echolocating and non-echolocating bats and identify the candidate genes related to echolocation in hearing and nervous systems by analyzing the convergent expression differences of genes and constructing co-expression networks. We will also examine and verify the upstream transcription factors of these candidate genes, and systematically construct the gene transcriptional regulatory networks related to echolocation in bats. Our results will provide new insights into the molecular mechanisms for the mammalian complex trait of echolocation.

适应性的特殊感觉系统回声定位在蝙蝠和鲸等哺乳动物中独立起源和演化。近年来，基于分子适应性趋同进化理论，从基因序列层面，鉴定出了多个与回声定位相关的基因，完成了对其分子机制的初步探索。然而，回声定位是涉及多系统的复杂性状，除了基因序列的变化，基因表达调控网络的解析也是阐明其分子机制的关键组成部分。在本项目中，我们将比较回声定位和非回声定位蝙蝠不同组织的转录组数据，通过基因表达差异的趋同变化分析和基因共表达网络的构建，识别听觉和神经系统中与回声定位相关的基因，并对其上游转录调控因子进行识别和验证，系统地构建出与回声定位相关的基因表达调控网络。本项目的实施将为全面揭示哺乳动物适应性复杂性状回声定位的分子演化机制奠定重要的基础。

解析复杂性状起源和演化的分子遗传机制是遗传学、动物学、进化生物学等领域的研究热点。作为一种独特的适应性复杂性状，回声定位利用听觉来感知外界环境，在食虫蝙蝠、齿鲸、猪尾鼠等哺乳动物类群中独立起源和演化。尽管基于分子适应性趋同进化理论，从基因序列层面完成了对其分子机制的初步探索，然而，回声定位是涉及多系统的复杂性状，除了基因序列的变化，基因表达的演化机制以及基因表达调控网络的解析也是阐明其分子演化机制的关键组成部分。在本项目中，我们分析比较了回声定位蝙蝠中华菊头蝠和亚洲长翼蝠，非回声定位蝙蝠犬蝠，回声定位猪尾鼠，以及实验室小鼠等5个物种的脑、心、肝、肾和耳蜗等5个组织的转录组数据。通过估算转录组数据的成对距离矩阵和欧式距离分别构建这些物种间的系统发生关系，结果发现，基于脑、心、肝和肾的转录组数据的物种系统关系与物种树一致，而在基于耳蜗转录组数据的物种系统发生关系树上，所有具有回声定位复杂性状的物种聚类在了一起，提示着回声定位物种耳蜗转录组系统性地受到了趋同演化的压力。回声定位物种与非回声定位物种耳蜗中的差异表达基因在功能类别上显著富集在了感觉器官形态与发育、内耳形态与发育等，而在形态结构上显著富集在了听觉系统相关的表型，如听力异常、听觉电生理学异常、耳蜗形态、耳蜗毛细胞退化等。在组学分析基础上，我们利用功能实验识别并验证了转录因子ISL1的过表达对于回声定位蝙蝠耳蜗毛细胞抵抗噪音起了关键作用，为预防和治疗噪音性耳聋的机制研究提供了新的研究思路。总之，本项目顺利实施为全面揭示哺乳动物适应性复杂性状回声定位的分子机制奠定重要的基础。