周琦实验室在PNAS联合发文揭示文昌鱼基因组和性染色体的演化

2023年3月4日，周琦实验室联合西南大学徐洛浩、福建师范大学黄镇、厦门大学李光等多团队在美国国家科学院院刊PNAS发表题为“Three amphioxus reference genomes reveal gene and chromosome evolution of chordates”的研究论文。该论文结合第三代基因组测序和遗传学实验发布了三个文昌鱼物种单倍型、染色体水平的高质量基因组，首次报道了这一演化发育模式生物的性别决定系统，并重构了五亿年以来脊椎动物染色体的演化过程。

文昌鱼不是鱼，是无脊椎动物，也是我国二级保护动物；因为在我国厦门沿海渔民发现在每年文昌帝君诞辰前后为其捕捞季节而得名，一度因为其味道和肉质是名贵特产。文昌鱼和海鞘，脊椎动物并称为脊索动物，在5.5亿年前共享同一个祖先。正因为它们像鱼又不是鱼，生物学家很早就意识到它们独特的研究价值在于能揭示我们脊椎动物祖先在这漫长的5.5亿年间是如何演化的。然而文昌鱼的基因组先前呈片段化并没有组装成染色体序列，对文昌鱼的物种的研究大都也集中在美国的佛罗里达文昌鱼。周琦实验室领导的这项研究通过巧妙利用三个文昌鱼物种(美国佛罗里达文昌鱼，日本文昌鱼和白氏文昌鱼)的杂交后代，刻意地扩大基因组两条同源染色体之间的差异，来达到直接各自完成杂交后代两条同源染色体，即两个物种单倍型基因组组装的目的。新版本的基因组的完整性除了体现在它们都已经达到了高度连续的染色体水平，而且通常动物基因组高度重复的着丝粒和中心粒区域也得到了很好的注释。

图1 左图为雌（右）雄（左）佛罗里达文昌鱼，右图为基于本项目基因组构建的系统发育树。支长代表每一个代表性物种的基因组演化速率，由图可见，其实文昌鱼并不是脊椎动物的最近的外群，但由于其演化速率较慢，外形和基因组特征与脊椎动物更为接近，是最适合研究脊椎动物起源的无脊椎动物外群。

通常脊椎动物的基因组都被认为在它们的祖先中经历了两次大规模全基因组复制，使得基因组的基因数量和调控网络的复杂性相比无脊椎动物形成了巨大差异。由于文昌鱼不仅外形，而且基因组序列本身的演化速率相比其他脊索动物来说极其缓慢，其染色体构成很大程度上代表了脊椎动物祖先没有发生全基因组复制之前的状态。通过将文昌鱼与代表性脊椎动物类群鸟类基因组的比较（人类和其他哺乳动物基因组经历了大规模哺乳动物特有的染色体变换，因此选取鸟类），我们进一步重构了脊椎动物祖先染色体是如何演化形成今天脊椎动物染色体的过程。尤其令人吃惊的是，现广泛存在于除了哺乳动物以外的脊椎动物，即鸟类，爬行类，甚至一些辐鳍鱼类中相互之间非常保守的小染色体（microchromosome）对应了文昌鱼中的一整条染色体，提示这些小染色体自脊椎动物的祖先起源之后就一直高度保守地存在到今天。另一项重要的发现是，前人的研究提示文昌鱼的重要的发育基因Hox 基因簇只有一个三维空间调控域（topologically associated domain, TAD），而脊椎动物经过基因组复制，有两个Hox 基因调控域，文昌鱼被认为代表了脊椎动物祖先的基因组调控状态。然而我们的研究选取了更多的文昌鱼发育时期获得的三维基因组数据证实，在早期发育阶段，文昌鱼确实只有一个TAD，但到了发育后期，与脊椎动物类似，文昌鱼的Hox基因也行成了两个TAD。这一系列结果提示文昌鱼不仅在染色体结构，在重要发育基因全基因组调控方式上也与脊椎动物相比呈现出极高地保守性。

图2 文昌鱼染色体结构和基因组调控与脊椎动物相比呈现高度保守。左图为鸟类的33条染色体，而不同的颜色代表不同的文昌鱼同源染色体，可以观察到许多鸟类的小染色体(microchromosome)只对应一个颜色，即一整条文昌鱼染色体。右图为文昌鱼的Hox 基因簇在胚胎发育过程中（从上到下为1细胞期，32细胞期直到成年个体肌肉组织）逐渐形成两个空间结构域的展示。

最后我们进一步研究了文昌鱼物种之间的多样性，尤其是性染色体的多样性。我们通过全基因组关联性分析解释三个文昌鱼物种都像鸟类一样拥有ZW性别染色体（即雌性为ZW，雄性为ZZ），但三个物种的性染色体或者性别决定区域相互之间没有任何同源关系，有可能在短短地成种过程中发生了快速的颠换。而许多脊椎动物中保守的性别决定基因（如鸟类的DMRT1基因）在文昌鱼的基因组中不存在，可能是脊椎动物中新产生的。

图3 三种文昌鱼Bf(佛罗里达文昌鱼)， Bj(日本文昌鱼)， Bb(白氏文昌鱼)的性别决定区域，X轴为染色体数字和基因组坐标。下图为脊椎动物现已知的性别决定通路

本项目由周琦实验室的博士研究生蔡城、朱泽贤、康雯与其他合作团队成员共同完成，得到国家自然科学基金委，浙江省自然基金和浙江大学生命科学研究院的项目支持。此成果为周琦团队自2021年以来两年内领导并发表的动物性染色体演化的第9项代表性成果。这两年内周琦团队以通讯或者共同通讯作者身份研究发表了鸭嘴兽（Zhou et al.Nature, 2021），鸸鹋（Liu et al. Genome Res. 2021）,北京鸭（Li et al. GigaScience 2021）,罗非鱼（Tao et al. Mol. Ecol. Res. 2021）, 古颚目鸟类（Wang et al. 2022 J. Genet. Genomics）, 爬行类（Zhu et al. 2022 Zool. Res.）寄生虫（Wang et al. 2022, Nature Communications, 2022）, 海马（Long et al. 2022 Mol. Biol. Evol.）等纵贯大多数代表性动物类群性染色体演化的一系列工作，逐渐形成了完整的动物性染色体演化的全景。