Nat Ecol Evol新成果揭示海胆早期发育模式的进化变化,为海洋生物研究提供新思路

2023-01-17 218CNGBdb

2022年10月,由美国杜克大学与青岛华大基因研究院联合发起的一项海胆胚胎与幼虫的遗传发育研究,通过基因组学和单细胞转录组学等多组学联合分析的方式,展示了两种海胆之间高度差异化的早期生活史,揭示海胆胚胎形成模式的早期事件发生对进化造成的影响,以及发现自然选择可以在大范围内迅速重塑发育过程中的基因表达。研究成果发表于《自然·生态与进化》(Nature Ecology & Evolution)。

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此项研究的原始数据已存储于国家基因库生命大数据平台(CNGBdb),项目编号为:CNP0002233

研究背景

本次研究以红海胆和短棘海胆作为研究对象,根据已有研究,这两种海胆的种间分化发生在大约500万年前,虽然听起来很久远,但相对于海胆5亿年的历史来说,它们已经算得上是亲缘关系最接近的亲戚之一了。

理论上说,两种亲缘关系如此相近的海胆,它们的各项特征应当是极其相似的。但实际上,红海胆和短棘海胆的幼虫形态、发育过程、捕食习性等方面都存在巨大的差异,这就成功引起了科学家们的兴趣。

红海胆的发育模式比较经典,是大多数海胆种类都会遵循的由胚胎至幼虫的发育过程,甚至海星的幼虫发育也具有类似形态。而短棘海胆则走出了小众路线,其胚胎发育过程从一开始的形态就与众不同。

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研究内容

为探究两种海胆亲缘关系相近但胚胎发育模式大不相同这一谜题,本次研究团队首先采用高通量测序技术,分别组装了红海胆和短棘海胆的染色体水平基因组,两种海胆全基因组序列全长分别为0.89 Gb和1.06Gb,各具有21条染色体,染色体间存在良好的共线性关系。这也从分子层面上对两种海胆之间非常相近的亲缘关系进行了再次确认。

依靠以上得到的全基因组序列,研究团队发现红海胆与短棘海胆之间胚胎早期发育基因调控网络(dGRN)相关基因的编码序列没有发生明显的差异,也就是说,短棘海胆胚胎和幼虫发育以及生活史的广泛改变并不是由相关基因自身结构或功能上的重大改变引起的。

既然不是基因层面导致的差异,是否因为基因受到了不同调控使得最终表达不一样呢?研究团队开始瞄向了染色质开放区域(OCR)。

研究团队使用ATAC测序技术,探索染色质开放区域中的调控元件是否发生了变化。结果发现,胚胎发育形态发生了变化的短棘海胆,染色质开放区域中潜在的增强子和启动子序列都受到了明显的环境选择作用,其基因组内可能广泛存在调控元件功能的正选择。而当研究团队将目光聚焦到dGRN相关基因附近的染色质开放区时,发现短棘海胆的这些区域相比于其他海胆发生了更多的变化,相关序列的进化速度和染色质状态变化频率达到了其他区域的3倍,这一现象在其他海胆中是没有观察到的。

此外,为了测试两种海胆胚胎发育过程中的细胞类型是否也发生了变化,研究人员使用单细胞测序技术对多种海胆的胚胎囊胚进行分析。研究结果表明,在短棘海胆中,胚胎中细胞的早期命运决定发生了延迟,其成骨细胞系细胞命运的关键调控因子作用也发生了演变。

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研究团队通过进一步实验,验证了短棘海胆胚胎发育过程中细胞分化关键基因的表达情况。实验结果表明,在短棘海胆的胚胎发育过程中,与成骨细胞分化直接相关的两个基因,其抑制作用、基因家族的序列相似度已出现明显差异,这也提示dGRN基因内部发生了更深刻的进化变化。

研究结论

本研究通过多组学联合分析,立足两种近缘海胆的胚胎发育模式差异,对胚胎早期发育基因调控网络进行了深入研究,发现自然选择能够在短时间内通过改变调控元件序列和染色质可及性来在全基因组范围内深刻影响基因调控,并表明在自然选择面前,发育基因调控网络的保守性不一定意味着发育模式的限制,相关机制仍然可能发生进化。

青岛华大基因研究院郭浩冰博士表示,“这项研究为海洋生物的进化发育提供了新的研究思路,在发育基因调控网络中发现了自然选择对物种发育进化产生的深远影响,也为将来进一步揭示基因调控变化相关的深层机制打下了基础。”

参考文献:[1] Davidson P L, Guo H, et al. Recent reconfiguration of an ancient developmental gene regulatory network in Heliocidaris sea urchins[J]. Nature Ecology & Evolution, 2022.  [2] Raff R A, Byrne M. The active evolutionary lives of echinoderm larvae[J]. Heredity, 2006.  [3] Atlas of Living Australia, www.ala.org.au

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