中國科學(xué)院昆明動物研究所牽頭發(fā)起的靈長類基因組計劃目前取得階段性重要突破。6月2日，該計劃以?？问皆诰€發(fā)表8篇《科學(xué)》（Science）論文，其中昆明動物所主導(dǎo)或參與發(fā)表6篇《科學(xué)》和2篇《科學(xué)進展》（Science Advances）論文。
該?？w了靈長類研究的多個熱點領(lǐng)域，厘清了靈長類動物的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系；揭示了靈長類動物的基因組多樣性特征和演化歷史；解析了靈長類動物大腦、體型、骨骼、感官、食性等復(fù)雜性狀演化的遺傳基礎(chǔ)；發(fā)現(xiàn)了寒冷促進亞洲葉猴復(fù)雜社會系統(tǒng)演化的遺傳機制；首次發(fā)現(xiàn)靈長類動物雜交成種事件；構(gòu)建了人類疾病基因在非人靈長類基因組中的變異圖譜，并推測人類疾病基因突變的潛在功能等。這些發(fā)現(xiàn)，對靈長類動物多樣性保護、遺傳資源的開發(fā)和利用具有重要指導(dǎo)意義，也為人類特殊性狀的起源、發(fā)育以及疾病醫(yī)學(xué)研究提供了重要遺傳學(xué)材料和候選分子靶標。
(資料圖)
《科學(xué)》和《自然》雜志同時對該系列研究成果做了新聞報道。
一、大尺度系統(tǒng)基因組學(xué)研究揭示靈長類基因組演化歷史和表型進化遺傳機制
靈長目是哺乳動物中種類最豐富的類群之一，包括16科82屬520余種，目前依然有新物種不斷被發(fā)現(xiàn)。靈長類動物由于其獨特的系統(tǒng)發(fā)育位置，以及形態(tài)、行為和生理功能的多樣性，成為研究人類起源和演化、復(fù)雜性狀創(chuàng)新和重塑、疾病發(fā)生機理的天然動物模型。解析和重構(gòu)靈長類祖先到現(xiàn)代人類進化過程中的基因組變異圖譜，是理解人類進化不可或缺的環(huán)節(jié)，也是領(lǐng)域研究的熱點。然而，到目前為止，覆蓋絕大多數(shù)靈長類動物支系的高質(zhì)量參考基因組的比較基因組學(xué)研究仍然存在相當(dāng)大的缺口，尤其是位于靈長類系統(tǒng)發(fā)育樹基部的類群，例如闊鼻類（Platyrrhini）、跗猴下目（Tarsiiformes）和原猴亞目（Strepsirrhini），缺乏系統(tǒng)性的比較研究。同時，由于人類活動的影響，靈長類物種豐富度和群體數(shù)量正遭受前所未有的嚴峻挑戰(zhàn)。
為了填補這一缺口和開展靈長類動物多樣性保護研究，研究團隊利用全新的三代長讀長基因組測序技術(shù)Pacbio/Nanopore，產(chǎn)生大量高質(zhì)量靈長類參考基因組，對現(xiàn)存靈長類物種開展系統(tǒng)性的基因組研究分析，揭示了靈長類動物基因組演化歷史和適應(yīng)性性狀演化的遺傳基礎(chǔ)。這些靈長類遺傳資源不僅有助于靈長類動物本身的保護和開發(fā)利用，也對人類表型和疾病研究具有極大參考價值。
研究團隊構(gòu)建了精細的現(xiàn)生靈長類全基因組水平系統(tǒng)發(fā)育樹，推演出靈長類最近共同祖先出現(xiàn)在距今約64.95至68.29百萬年前，該區(qū)間與白堊紀-第三紀生物大滅絕事件（K/T boundary）吻合，提示靈長類早期輻射可能受白堊紀-第三紀生物大滅絕事件的影響。研究團隊重構(gòu)了從靈長類共同祖先到現(xiàn)代人類基因組的染色體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)靈長類祖先和現(xiàn)代人類具有保守的核型特征。但在類人猿下目祖先8號染色體發(fā)現(xiàn)一個新的染色體融合事件，這可能對高等靈長類的創(chuàng)新演化具有重要意義。
同時，研究團隊還發(fā)現(xiàn)，不同靈長類祖先有不同水平的基因組重排率，在類人猿下目祖先支系發(fā)現(xiàn)基因組元件（例如正選擇基因、加速演化的基因組非編碼序列、擴張的基因家族）變異水平在數(shù)量上整體抬升?；虻墓δ芨患徒M織特異性表達分析發(fā)現(xiàn)，它們主要涉及大腦功能和器官大小的調(diào)控，推測這些基因組創(chuàng)新事件與類人猿下目特殊表型的適應(yīng)性演化有關(guān)，例如腦容量、體型等。另外，研究團隊通過對不同靈長類演化支系的系統(tǒng)生物學(xué)比較，發(fā)現(xiàn)數(shù)以千計的支系特異性基因組變異，這些基因組變異與靈長類不同支系的特殊功能和表型演化有關(guān)，例如靈長類動物大腦、體型、骨骼、感官、食性等復(fù)雜性狀的演化等。
此外，研究團隊基于基因組數(shù)據(jù)推演了靈長類動物群體歷史，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)靈長類動物群體數(shù)量在晚更新世發(fā)生快速銳減，暗示長時程的氣候變遷對靈長類動物群體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響。同時也發(fā)現(xiàn)某些靈長類物種在過去的3個百萬年期間群體大小持續(xù)下降，這些物種中高比率是瀕危種，提示該集合中那些非瀕危物種可能也是將來急需保護的對象。
以上研究以Phylogenomic analyses provide insights into primate evolution為題，作為旗艦論文在線發(fā)表于《科學(xué)》。昆明動物所研究員吳東東、浙江大學(xué)教授張國捷和西北大學(xué)教授齊曉光為該文章的共同通訊作者。
二、多學(xué)科交叉揭示亞洲葉猴社會復(fù)雜性的遺傳機制
靈長類的進化經(jīng)歷了6500多萬年的歷史。從獨居的夜行性祖先，到今天高度發(fā)達的人類社會，交流與合作、群居與社會化，促進了靈長類大腦的發(fā)育及認知能力的提高，并演化出了包括重層社會在內(nèi)的、多樣化的社會系統(tǒng)。傳統(tǒng)的社會生態(tài)模型將這種多樣性解釋為對環(huán)境變化的響應(yīng)。然而，隨著研究的深入，傳統(tǒng)的社會生態(tài)模型遇到了很大的瓶頸，比如其很難解釋為什么生活在同一環(huán)境中的同域物種卻表現(xiàn)出不同的社會系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。盡管最新的研究發(fā)現(xiàn)，靈長類動物的社會演化受系統(tǒng)發(fā)育信號的影響，即遺傳自一個共同祖先并隨著物種分化而逐步演化，目前人們對靈長類社會系統(tǒng)多樣性的遺傳機制仍知之甚少。
為探索這一懸而未決的熱點問題，西北大學(xué)齊曉光、李保國團隊和昆明動物所吳東東團隊以亞洲葉猴為研究模型，采用多學(xué)科交叉手段，結(jié)合生態(tài)學(xué)、古氣候?qū)W、古地理學(xué)、化石記錄、靈長類社會學(xué)多重表型以及基因組學(xué)等方法和數(shù)據(jù)，揭示了亞洲葉猴多樣化社會演化的行為學(xué)、生態(tài)學(xué)和遺傳學(xué)機制。
為了解析亞洲葉猴社會系統(tǒng)的精細演化過程，研究團隊新測序獲得了7個亞洲葉猴物種的高質(zhì)量參考基因組（包括旗艦文章所產(chǎn)生的2個長讀長三代基因組數(shù)據(jù)），結(jié)合先前已發(fā)表的基因組數(shù)據(jù)，重建了全基因組水平亞洲葉猴系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。分析顯示，亞洲葉猴的社會系統(tǒng)演化存在強烈的系統(tǒng)發(fā)育信號，其中奇鼻猴類群呈現(xiàn)兩步式的逐步聚合模式：從祖先一雄多雌式的單家庭群逐步演化成具有分離-聚合特征的類重層社會，再演化出長期集群生活的重層社會。基于現(xiàn)生亞洲葉猴物種的生態(tài)-行為學(xué)數(shù)據(jù)集，種間分析顯示物種的社群規(guī)模與氣候寒冷程度顯著相關(guān)，即寒冷地區(qū)的物種通常形成大規(guī)模社群。與現(xiàn)生物種的演化模式一致，結(jié)合構(gòu)建的亞洲古地質(zhì)、古環(huán)境數(shù)據(jù)集的演化歷史分析進一步發(fā)現(xiàn)兩次社會聚合事件都發(fā)生在歷史的寒冷時期，表明寒冷效應(yīng)可能促進了社會聚合，是重層社會演化的一個關(guān)鍵生態(tài)因子。
為進一步挖掘這種聚合背后的遺傳學(xué)機制，基于比較基因組學(xué)，研究團隊發(fā)現(xiàn)，在具有重層社會的奇鼻猴中，與寒冷相關(guān)的能量代謝和神經(jīng)、激素調(diào)節(jié)相關(guān)基因受到正選擇。深入分析發(fā)現(xiàn)，這些類群演化出了更加有效的腦、神經(jīng)激素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，尤以多巴胺、催產(chǎn)素為代表。這些適應(yīng)性改變有助于在寒冷的環(huán)境中增強母猴的撫育行為，如延長照顧幼崽和哺乳期時間，從而增加嬰猴成活率。這些改變可能通過間接增加個體的友好行為，加強了個體間的交流與聯(lián)系等方式，最終促進亞洲葉猴從彼此獨立的一雄多雌群向大型重層社會演化。
該研究從行為、生態(tài)、遺傳等多個維度，全面解析了亞洲葉猴重層社會的起源、演化和形成機制，為靈長類社會演化提供了重要研究范式。
以上研究以Adaptations to a cold climate promoted social evolution in Asian colobine primates為題，在線發(fā)表于《科學(xué)》。西北大學(xué)齊曉光、李保國，昆明動物所吳東東和澳大利亞西澳大學(xué)Cyril C. Grueter為該文章的共同通訊作者。
靈長類基因組計劃相關(guān)研究工作得到中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委員會、云南省科技廳、昆明動物所等的資助和支持，也是模式動物（靈長類）表型與遺傳研究設(shè)施建設(shè)進展的階段性重大成果。
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