Science专刊旗舰论文解读：从基因组学角度看灵长类动物演化历程
人类作为灵长类中的一员，长期以来对灵长类动物的起源和演化都非常关注。该方向研究不仅有助于我们回答人类的起源问题，也有助于更多地了解我们人类独特身体结构特征的演变历史。随着分子生物学的发展，近年来我们已经有能力通过基因来回答有关问题。虽然非人类灵长类动物在生物学、演化学、药理学等领域中扮演着重要的角色，但目前仅有不到10%的非人类灵长类动物的参考基因组已经被测序。物种基因组的匮乏，不仅使相关研究受到限制，而且还限制了我们对于非人类灵长类动物基因组演化、适应性演化以及分子生物学方面的深入探究。近日，这一情况得到了改观。浙江大学生命演化研究中心张国捷教授团队联合昆明动物研究所吴东东教授团队、西北大学齐晓光教授团队和其他国内外合作者在Science杂志在线发表题为“Phylogenomic analyses provide insights into primate evolution”（基因组学分析提供了对灵长类演化的洞见）的研究论文。该论文作为同期研究专刊8篇论文中的旗舰论文，是灵长类基因组计划阶段性成果的重要组成部分，回答了与灵长类演化相关的一系列问题。
灵长类祖先出现在白垩纪界限附近
灵长类动物有超过500个物种，分属于16科共79个属中。其中，原猴类（原猴亚目，Strepsirrhini）是比较原始的一类灵长类，它们分布在非洲、南亚和东亚，狐猴、懒猴和丛猴等属于这个类；而简鼻类（简鼻亚目，Haplorrhini）是现代灵长类的主体，分布在欧亚非大陆的狭鼻类（Catarrhini，含旧世界猴）和分布在美洲大陆的阔鼻类（新世界猴，Platyrrhini）都属于这个类群。人类属于狭鼻类，与黑猩猩、红毛猩猩、大猩猩等大猿的亲缘关系较近。此次研究对象覆盖了50个灵长类动物物种，跨越了38个属和14个科，其中包括了之前研究中较少涉及的新世界猴和原猴；研究中有27个新的高质量基因组数据，这些新数据可以提供更多、更准确的遗传信息，这样的广泛覆盖可以提供更全面的数据，有助于更深入地了解灵长类动物的演化历程。
通过分析基因组数据和化石时间数据，研究人员推断了灵长动物各主要类群的演化时间，并推断出所有灵长类的最近共同祖先出现在大约6829万到6495万年前。这个时间距离6550万年前那次造成非鸟恐龙灭绝的白垩纪末期大灭绝事件非常近，大致临近白垩纪与古近纪交界时间。这意味着灵长类动物的演化可能受到了物种大灭绝事件的影响。
灵长目演化树，灵长类图片由Stephen D. Nash绘制（张国捷课题组和吴东东课题组合作供图）
通过分析基因组数据和化石时间数据，研究人员推断了灵长动物各主要类群的演化时间，并推断出所有灵长类的最近共同祖先出现在大约6829万到6495万年前。这个时间距离6550万年前那次造成非鸟恐龙灭绝的白垩纪末期大灭绝事件非常近，大致临近白垩纪与古近纪交界时间。这意味着灵长类动物的演化可能受到了物种大灭绝事件的影响。
改写灵长类染色体演化历程的认识
通过重建灵长类的祖先核型演化过程，观察到在染色体水平上核型演化模式总体上是保守的。这意味着在不同谱系之间，染色体大多数都保持了类似的结构和数量。在先前的研究中，对于人类8号染色体的起源问题，由于数据不足，研究者认为人的8号染色体是继承自灵长类的祖先某条祖先染色体，这条染色体在新世界猴中发生了断裂事件，分化出两条新的染色体。最新的研究发现，这一观点可能是错误的。
最新研究采用了更多染色体级别的原猴物种进行研究，弥补了之前由于数据不足而导致偏差的问题。这项研究发现，人的8号染色体对应到原猴的两条染色体上。因此，研究人员推测类人猿下目祖先以及所有灵长类祖先中的两条染色体在狭鼻类出现后融合成一条染色体，最终演变成人类8号染色体。这项研究为我们提供了更多的证据，校正了前人对灵长类染色体的融合断裂演化历程的推断。
人类8号染色体在灵长类的起源过程的不同假说的示意图（张国捷课题组供图）
灵长类大脑经历了快速演化
灵长类动物在漫长的演化过程中，大脑的体积变化非常引人注目。最初的原猴亚目和眼镜猴，它们的脑容量非常有限，但随着时间的推移，新世界猴及旧世界猴出现后，它们的脑容量不断增大，最终在大猿类和人类的演化过程中，相对脑容量进一步增大。相对脑容量的增大与智力程度密切有关，同时也反映了物种演化适应环境的能力。
研究人员发现了一些基因在灵长类的演化历程中受到了强烈的正选择（即倾向于富集更多氨基酸变化）。这包括一些前人的实验研究已经发现的与大脑发育关键的基因，这些基因的突变会导致小鼠的大脑功能受损。例如小头畸形是人类严重的神经系统缺陷，脑容量由于神经细胞增殖能力受到阻断而变小。与小头畸形相关的基因在多个分支受到强烈的正向选择，被认为可能在人类脑容量增大中发挥了作用。研究人员发现很多与大脑发育的基因在灵长类演化过程的其他关键节点也受到了正向选择，推测这些基因对脑容量在这些演化节点的增大发挥了重要作用，特别是那些伴随着皮层折叠和脑容量显著增加的关键演化节点，包括类人猿下目祖先、狭鼻类祖先、大猿祖先和人类等不同分支。
表注：灵长类不同分支跟小头畸形相关的受到正选择的基因列表（张国捷课题组和吴东东课题组合作供表）
此外，研究人员还发现了一些非编码区域在四个关键的灵长类演化节点（类人猿下目的祖先、狭鼻类祖先、大猿祖先和人类）中发生了加速演化。这些区域落在大脑发育相关基因的调控区域，这些结果表明了灵长类动物在漫长的演化过程中通过调节大脑相关基因的表达不断地优化大脑构造。
这些发现表明灵长类动物在演化历程中最终演化成大脑更为发达的形态有很多基因和调控区域参与其中，这丰富了我们对灵长类大脑演化分子机制的认识。
灵长类物种脑容量演化历程以及此过程中基因组上的变化，大脑图像是从密歇根州立大学的比较哺乳动物大脑收藏中获取（张国捷课题组和吴东东课题组合作供图）
探索猿类尾巴丢失的原因
尾巴是很多动物的标志性特征之一，尤其是对于一些动作灵敏的灵长类物种，长短不一的尾巴能够帮助它们稳定身体，转向和控制速度。然而，我们猿类的祖先却失去了尾巴，成为猿类的重要特征。研究表明，这一现象可能与一些特定的基因调控序列的突变有关。
在人猿共同祖先中，研究人员检测到了多个基因的非编码调控区域积累了大量变异，其中包括KIAA1217。人的KIAA1217基因发生突变可能会导致脊柱和尾椎畸形，影响脊柱的正常发育；而在小鼠中，这个基因的突变则会导致尾椎数量的减少。这个调控区域落在基因的增强子区域（Encode数据库支持），并且与KIAA1217基因落在同一个拓扑结构关联域（TAD）中，证明这个区域和基因有很强的交互作用，可能调控了KIAA1217基因的表达。猿类这个区域内的DNA序列和其他灵长类有很大不同，推测这些区域的突变可能导致KIAA1217基因表达失衡，导致猿类失去尾巴。尽管这一假说仍需进一步的研究和验证，但是这一发现已经为我们更好地理解猿类演化史提供了新的线索。
KIAA1217基因的调控区域在猿类中的快速演化可能导致其丢失尾巴（张国捷课题组和吴东东课题组合作供图）
灵长类其他性状演化和基因组变化之间的联系
随着时间的推移，灵长类动物在适应着各种环境和食物的同时，不断地经历着骨骼、体型和消化系统的演变。除了大脑的快速演化，这些方面的演化也对灵长类物种的适应性和生存能力有着重要的影响。
骨骼系统在灵长类动物演化中的作用异常突出，骨发育相关的基因在树栖生活方式的适应性演化中扮演着特别重要的角色。在灵长类祖先中，有四个与骨发育相关的基因（PIEZ01, EGFR, BMPER and NOTCH2）受到了强烈的正选择。此外，研究人员在长臂猿中也发现了四个正选择基因（LONP1, BRCA2, NEK1 and SLC25A24），这些基因的变异会影响骨骼长度，从而延长前臂，并且对长臂猿在树上活动和觅食等方面产生了重要作用。
灵长类动物的体型范围很广，最小如只有几十克的鼠狐猴，最大有超过200公斤的大猩猩。研究者在大猿祖先的基因中发现了几个重要基因，可能对大猩猩体型的演化产生了影响。其中一个是DUOX2基因，它参与身体发育重要的甲状腺激素的合成。DUOX2基因变异能导致小鼠体型变小。此外，还有一些基因参与了骨骼发育和体型大小的通路，比如TGF-beta、Wnt信号通路以及Hippo信号通路。
不同的灵长类有不同的饮食习惯和消化系统，有些灵长类如叶食性的疣猴很喜欢吃树叶。为了适用这种的饮食，已经演化出了独特的前肠系统。研究发现了一些关键的消化基因在疣猴的祖先受到了正选择而积累了特殊的氨基酸变异，来适应这种特殊饮食的状态。例如，ACADM基因编码一种在代谢摄入的脂肪酸方面起着关键作用的Acyl-CoA脱氢酶，疣猴在这个基因上发生的变化提高疣猴消化脂肪酸的能力。另外NOX1基因，在小鼠结肠里被证明可以调节微生物平衡，疣猴里累积的变异可以进一步帮助它们调节体内的微生物，帮助疣猴更好的消化叶子。它们的肠道还可以通过微生物发酵，产生短链挥发性脂肪酸，从而提供更多的能量。
