眼镜蛇与版纳鱼螈Hox基因簇的解析与进化基因组学分析

蛇形身体是动物在漫长的进化历史中，为适应掘地的穴居生活，身体构造发生特化时经常出现的现象，其解剖学的一个重要特点为带有肋骨的胸腔部分扩展至身体前肢与后肢间的全部区域。在陆生脊椎动物中，具有蛇形身体特点的物种全部集中在两栖动物与爬行动物中，研究控制胸腔形成的关键基因与调控元件在这些动物类群中的变化情况具有重要的科学意义。已有研究表明，动物胸腔区域决定于Hox基因簇上多个基因成员在体轴上的表达范围，而Hox基因成员的表达范围则由Hox基因簇中各种非编码调控区所控制。目前国际上还没有一个完整的蛇形物种Hox基因簇数据。为此，本项目计划选取眼镜蛇、版纳鱼螈作为蛇形动物的代表物种，采用构建基因组文库与高通量测序相结合的策略，解析这两个蛇形物种的Hox基因簇全序列，并与胸腔范围正常的其他的物种的Hox基因簇进行比较基因组学分析，为研究陆生脊椎动物"蛇形身体"的产生这一重要进化问题提供必要的遗传学背景。

四肢退化躯干伸长的蛇形身体在脊椎动物进化历史中多次出现，研究控制动物身体结构的Hox基因簇中的基因与调控元件在这些动物类群中的变化情况具有重要的科学意义。在本项目的支持下，我们用长距离PCR与基因组步移获得蛇形物种版纳鱼螈Hox基因簇片段共~600kb，建立了一套利用已知小段Hox 基因序列获取大片Hox 基因簇区域的实验策略。我们发现版纳鱼螈Hox基因簇中重复序列含量相对于别的物种明显偏低，但保留了较多古老的非编码保守元件，且保守元件的分布密度与重复序列相反。这提示版纳鱼螈Hox基因间隔区受到的选择压力不一样，有些区域插入许多重复序列可能会影响其中的调控序列，进而改变某些Hox基因的表达。相对速率检验显示版纳鱼螈的Hox基因编码区在四足动物中处于相对较慢的进化水平。版纳鱼螈转录组的数据分析进一步支持Hox基因簇的分析结果，并显示版纳鱼螈基因组整体都具有进化较慢的特点，以上研究成果已于2015年发表在国际知名期刊BMC genomics上。我们还把这些数据用于对四足动物进化的其他研究，分别在MBE和SB杂志上发表论文一篇。另一方面，两种蛇的基因组序列已于2013年底公布，与我们解析眼镜蛇Hox基因簇序列的计划有冲突。我们因此把研究方向转到Hox基因簇的分析上面。版纳鱼螈和蛇Hox基因簇序列的比较可能因为两者关系太远没有找到明显共性。为此，我们通过实验补充了其他有鳞类动物的Hox基因数据。统计分析显示有鳞类动物Hox蛋白含单氨基酸串联重复的比例比其他类群都高。比较含单氨基酸串联重复的Hox蛋白的分布，我们发现位于簇中部的Hox蛋白只在有鳞类动物中高比例的出现单氨基酸串联重复。根据Hox基因表达与功能的共线性，中部的Hox基因大多参与胸腔及躯体发育的调控，其高比例的出现单氨基酸串联重复有可能与有鳞类动物躯体结构多变有关。我们继续分析了有鳞类代表物种---安乐蜥的蛋白组，结果显示大量蛋白序列含有单氨基酸串联重复，且这些蛋白较大比例是调控因子或与生长发育相关。众多长度可变的单氨基酸串联重复的存在很可能是有鳞类动物基因组具有较高可塑性的基础之一，为理解其丰富的适应性进化现象（如体形等）提供一丝线索。相关结果已撰写论文投稿国际知名期刊BMC genomics，目前在根据审稿人意见修改中。此外，本项目支持了一些额外的研究工作，总共发表了SCI论文7篇。