鸟类起源进化的基因组学研究进展

鸟类起源进化的基因组学研究进展

熊艳鹏

江西科技师范大学生命科学学院 江西 南昌 330013

摘要：在物种起源进化研究领域，鸟类作为一种模式动物，在该领域起着举足轻重的作用，当前，对针对鸟类起源进化已有许多影响甚大的研究，例如有：神经学、生理学、解刨学、古生物学、胚胎发育学、表观遗传学、行为学、以及保护学，随着测序技术的快速发展以及测序价格的显著下降，基因组技术也更加广泛和普遍地应用至鸟类遗传进化中去，为更好更深入全面阐明鸟类起源提供了新的见解和证据，因此本文就近年来对鸟类起源进化开展的基因组学研究做一简述。

关键词：鸟类；分子遗传；起源进化；

鸟类是属于脊椎动物亚门下的一纲，身体几乎都被羽毛覆盖，与我们人类一样，是属于恒温动物，但其繁衍方式是属于卵生，有成对双翼，主要可分为游禽、涉禽、攀禽、陆禽、猛禽、鸣禽等六大类，现存已知鸟类已有超过一万种，当前，针对鸟类这一模式动物，已有众多学者对其进行过诸多方面的研究，包括鸟类的起源与进化、鸟类的分布、鸟类的驯化、鸟类的神经生物学，环境对鸟类的影响、鸟类的保护现状与措施等，本文就近年来鸟类起源的基因组学研究做一简要综述，以期为从分子基因组学方面深入研究鸟类起源提供理论参考。

1. 鸟类进化树的构建

已有研究表明，鸟类在很久之前的一个演化早期，发生了一次迅速且巨大的物种爆发，很多物种似乎在这一段时间时间内就都形成了，也正是由于此次大爆发式的演化，使得各物种早期亲缘关系鉴别异常艰难，因此虽然在此之前已有很多学者利用很多方法构建其系统发育树，但各种方法得出的结果却是相差甚远。

因此2014年，Erich D. Jarvis教授团队利用几乎能代表所有新鸟类的48种鸟类全基因组数据构建鸟类系统发育，研究结果显示，鸟类至今进行过4种物种分歧，第一次是在约至今一亿年前的晚白垩纪，古颚类和新颚类发生分歧，第二次发生在至今八千八百万前年，由新颚类分歧成鸡雁小纲和新鸟小纲，第三次发生在八千四百万年前，由古颚类分为鸵鸟及䳍两个支系，第四次发生在至今约六千七百万年至六千九百万年前之间，在这段时间鸡雁小纲和新鸟小纲发生物种大爆发，然后至至今五千万年前几乎所有的鸟均已分化完成，另外大约占现存鸟类60%的雀形目约在三千九百万年前发生分歧，这些分歧时间均与化石记录相一致，该研究还发现水生鸟类有经历三次独立起源，陆生鸟类如鸣禽、鹦鹉、猫头鹰、鹰、啄木鸟均来源于同一祖先，总之该项研究很好地阐明了鸟类早期分化及分类问题，也给许多历史上争论已久的问题予以了一个可信且明确的答案^[1]。

2、鸟类基因组大小进化研究

在鸟类中具有很多复杂的特性是其他动物没有的，如飞行，全身覆盖羽毛等，但可以说在脊椎动物中，鸟类的基因组可以说是最小的一类。

为了探究鸟类基因组进化的秘密，2014年Guojie Zhang教授团队利用上述数据对这一问题进行了探究。在研究中发现，首先在对基因进行注释中发现几乎所有禽类基因组的重复序列含量均较低，约占基因组的4%-10%，而其他四足脊椎动物的重复序列约占基因组的34%-52%。另外，该团队还将鸟类的平均基因组大小与24个哺乳动物和三个非禽类爬行动物基因组进行比较，发现禽类蛋白编码基因比哺乳动物和爬行动物基因分别短50％和27％，但缩短的主要是内含子长度和基因间距，作者就推测浓缩的基因组可能代表与动力飞行过程中所需的快速基因调控适应性变化有关，并且在与乌龟和鳄鱼的比较中，发现鸟类的基因组存在大片段的丢失，且这些片段中包含许多重要的编码蛋白基因，但有趣的是作者还发现，虽然鸟类基因有大片段丢失，但是其基因组的改变总体上是低于哺乳动物的，这表明鸟类在维持基因协同性是具有比哺乳动物更高的水平^[2]，因此总体来说，我们可以看到这些研究了揭示鸟类独特、精妙的基因组进化模式，这种进化模式的发现使我们对鸟类基因组的进化有了更深一步的认识。

3、染色体基因组学研究

尽管存在一些差异，但是鸟类之间的绝对染色体数目相当保守^[3]，自它们的共同祖先以来，整个禽类的总体基因组结构在核型和微同义水平上都得到了保存，其历史到现今已超过1.5亿年,另一项研究发现，鸟类中某些基因协同作用已经存在于其他非禽类爬行动物中，并且已经保存了超过2.25亿年，这也提示这种染色体组型在进行飞行进化以前其实早就发生了进化，先前的一项研究报道了鸟类基因组中有数百万种鸟类特异的CNE，这些CNE可能已形成调节网络，有助于鸟类的基因组结构稳定，这也就解释了，为什么鸟类基因得以如此保守，不过在另一篇文章又有讲到虽然从形成鸟类至今鸟类基因组整体大小及染色体组型未发生较大变化，但是在基因组的结构上还是存在一定的变化，且在各种鸟类之间，这些变化均是不一样的，例如这个包含现存95%鸟类的新鸟小纲的共同祖先与其他鸟类相比具有更高的重排率

^[4]

另外值得一提的是，虽然近五年可用的禽类基因组数据相比之前几乎增加了一个数量级，不过其大多数尚未组装至染色体水平^[3]，因此大大限制了禽类染色体基因组学研究，因此构建更多组装至染色体水平的禽类基因组将成为从染色体水平研究禽类基因组的关键。

4. 关于鸟类特殊表型及功能起源的基因组学研究

向前面我们所论述的，鸟类具有很多独特性状，这些性状由何而来，它是由什么所控制，对于此类问题，我们用以前所使用的古生物学，解刨学均不能得到一个明确且详细的答案，不过对于此问题，我们认为若用基因组学方法似乎就能得到一个较好的解释。

4.1骨骼相关基因的进化和鸟类飞行的起源

不同于哺乳动物，鸟类骨骼呈中空状，这些中空状骨头被认为减轻了整个禽类骨骼的重量，并降低了飞行的代谢成本，但是对于某些骨骼结构，如肱骨和腓骨等却比哺乳动物更重，这些表明鸟类骨骼经历了多种多样的骨骼特异性选择模式^[5]。

2016年João Paulo Machado等学者对了47个禽类、39个哺乳动物和20爬行类动物基因组中89个与骨骼相关的基因进行了比较基因组分析，经过多次测试校正的结果显示：这89个与骨骼相关的基因，在哺乳动物中有30.3%基因受到正向选择，而在鸟类则中有52.8%的基因受到选择，几乎是哺乳动物的两倍，鸟类中受到正向选择的基因大多数与骨骼调节和重塑有关，并且还有十三种与动力飞行相关的功能途径有关，包括骨骼代谢，骨骼融合、肌肉发育以及血糖水平^[5]。

4.2鸟类牙齿脱落基因组学证据

脊椎动物（包括鸟类，乌龟和一些哺乳动物（食蚁兽，鲸鱼和穿山甲））一般都是缺乏牙齿的。所有无牙或无牙釉质的脊椎动物都是由有牙釉质覆盖的祖先而来。现代鸟类不使用牙齿，而是使用角质喙及其部分消化道（肌肉）来研磨和加工食物^[6]。探究鸟类牙齿为何会脱落，对于了解鸟类进化明显是至关重要的。

脊椎动物的牙齿形成是一个复杂的过程，涉及许多不同的基因,在这些基因中，有六个对于正确形成牙本质（DSPP）和牙釉质（AMTN、AMBN、ENAM、AMELX和MMP20）是必不可少的，2014 Robert W. Meredith教授团队在几乎能代表现今所有鸟类的48种鸟类以及能够代表所有鳄鱼（鸟类的近亲）的美国短吻鳄的基因组中分析了这6个基因，结果发现：六个基因在美洲鳄和带有牙釉质牙齿的哺乳动物类群中均具有功能，而48种鸟类与牙质和牙釉质相关基因都存在失活突变，这表明在所有鸟类的共同祖先中就已经失去了形成牙齿所需要的遗传机制^[6]，这也暗示鸟类牙齿丢失已年代久远，也就预表着，研究鸟类牙齿为何丢失就变得更加复杂。

4.3鸣禽声乐学习分子机理

鸣禽可以说是进化最多样化和最成功的脊椎动物群体之一，其几乎占所有已知鸟类的一半，去探寻鸟类是如何学会鸣叫，其如何进行声乐学习，以及其大脑回路是如何反应等背后的基因组学进化证据是已被证明是非常难的，部分原因是因为在2014年之前公布的鸟类基因组物种相对较少^[7]。

2014年Morgan Wirthlin教授团队对48种禽类以及4种非禽类基因组进行了比较分析，以确定鸣禽特有的基因组特征，并通过调查它们的组织分布和预测的蛋白质结构域对功能进行了初步评估，结果发现，在鸣禽基因组中存在10个特殊基因，且在班马雀的精确基因组图谱中发现，这些新基因中的大多数位于明显与染色体断裂点相关的不稳定的基因组区域，另外对原位杂交和转录组数据的分析表明，鸣禽独特基因的一个子集在大脑和/或其他组织中表达，这一子集中的2个基因（YTHDC2L1和TMRA）相对于大脑的其余部分在与语音学习相关的基因组区域中有高度差异表达，这些结果暗示了相对与其他鸟类，鸣禽有经历一次快速的独立的特异性进化，这些进化为鸣禽的声乐学习功能及特性提供基础^[7]。

4.4鸟类特异的顺式调控元件在鸟类特异特征宏观进化中的功能作用

长期以来，相比于对微观进化的研究，我们对宏观进化遗传基础了解甚少，且先前的研究强调大多是蛋白质编码基因的复制和修饰对特异性表型进化的贡献，是进化新颖性的主要来源，但对于，非编码序列，包括非编码RNA和顺式调控序列，虽然也被认为在进化变化和性状创新中有很大贡献，但是几乎没有这方面的研究证据表明，顺式调控元件参与了动物性状的创造^[8]。

2017年Ryohei Seki教授团队为了鉴定对鸟类具有特定功能的基因组元件，针对48种鸟类和9种非鸟类脊椎动物（包括爬行动物，哺乳动物，两栖动物和鱼类）构建了多路全基因组比对方法。这48种鸟几乎代表了所有现存的鸟类，该研究总共预计了265,984个禽类特有的ASHCE（≧20 bp），约占禽类基因组的1％，这些ASHCE具有极低的取代率，约比全基因组平均水平低五倍,且它们99%都位于非编码区，另外该研究在胚胎基因表达比较分析中发现，与ASHCE相关的基因在禽四肢发育中具有独特作用 ，且该研究还通过电穿孔以及RCAN / RCAS逆转录病毒感染技术验证了ASHCE驱动了可能与飞行羽毛的进化和发育有关的基因Sim1，在禽类中的特异性表达，与Sim1有关的ASHCE在发育过程中充当了Sim1表达调控的增强子

^[8]。这些研究极大地证明了顺式调控原件在动物性状进化过程中可能扮演着至关重要的作用，研究也为后续从非编码序列区域发掘与宏观进化相关的遗传机制提供理论依据。

4.4从转座子视角来阐明鸟类基因组的进化

转座子可以说在所有细胞生物的基因组中都能发现它，但是在起源进化的研究中，其也是常常被人们所忽视的一个研究角度，但是随着越来越多的物种的基因组被揭示，人们对基因组有了更多的认识，转座子对于物种进化的作用也越来越受到重视。

2016年Aurélie Kapusta教授团队通过对几乎包含了所有禽类分类群超过75个物种的基因组数据进行分析，他们有以下发现：第一、尽管会飞的鸟类的基因组比不会飞的鸟类更小，但是其通常却具有更高的核苷酸取代和缺失率以及更高的TE密度，相反，不会飞的鸟类可能由于进化较慢（即几乎没有最近的TE插入和缺失减少了基因组的收缩）而导致基因组较大，因此作者就认为，这为基因组大小进化的一种基本上非自适应性的模式，提供了进一步的支持，即TE扩展导致基因组不稳定，从而增加了缺失事件的发生频率，因此满足了飞行鸟类对基因组丢失的要求（在脊椎动物中鸟类的基因组最小）。第二、在鸟类进化过程中染色体间和染色体内频繁发生重排，而这一现象和TE的密度升高有关，第三、由于过去组装技术的限制，TE含量通常是本低估了^[9]。总的来说这些研究发现，大大地丰富了我们对于转座子在物种进化过程中作用的认识，也暗示了我们对于转座子的认识还知之甚少。

5、结语

综上研究，我们可以看到对于鸟类基因组的研究，这几年已有巨大的飞跃，这些研究也极大地丰富了我们对鸟类进化起源的认识，虽然如此，我们还是认为在此研究领域我们还有很多提升空间，如：1）虽然现已对很多种鸟类进行了测序和组装，但其质量还是有很大提升之处，我们可能由此丢失了大量重要信息；2）我们需要更多的化石记录来为鸟类进化基因组学研究提供支持以及思想源泉；3）虽然现在对于进化的正向研究与推断已有大量证据，但是对于进化的反向验证与推理还知之甚少，因此我们认为我们后续的研究也可以注重于利用基因编辑、胚胎发育学技术、杂交技术、协助突变技术，等技术来模拟、反推验证物种的进化。因此总的来说，我们对于鸟类起源基因组学研究虽已取得较大进展，但研究之路依然任重而道远。

参考文献

[1] ED Jarvis，S Mirarab，AJ Aberer，et al. Whole-genome analyses resolve early branches in the tree of life of modern birds [J]. Science, 2014,346(6215): 1320-1331.

[2] Guojie Zhang,Cai Li,Qiye Li, et al.Comparative genomics reveals insights into avian genome evolution and adaptation [J]. Science,2014,346(6215):1311-1320.

[3] David P. L. Toews, Jennifer Walsh, Leonardo Campagna. Population Genomics of Birds:Evolutionary History and Conservation [J]. Population Genomics Wildlife,2018:255-294.

[4] Aurélie Kapusta1and，Alexander Suh. The bird's-eye view on chromosome evolution [J]. Genome Biology 2018,19:201.

[5] João Paulo Machado, Warren E. Johnson, M. Thomas P. Gilbert, et al. Bone-associated gene evolution and the origin of flight in birds [J]. BMC Genomics 2016,17:371.

[6] Robert W. Meredith, Guojie Zhang, M. Thomas P. Gilbert, et al. Evidence for a single loss of mineralized teeth in the common avian ancestor [J]. Science 2014,346(6215): 1254390.

[7] Morgan Wirthlin1, Peter V Lovell1, Erich D Jarvis, et al. Comparative genomics reveals molecular features unique to the songbird lineage [J]. BMC Genomics 2014,15:1082.

[8] Ryohei Seki, Cai Li, Qi Fang, et al. Functional roles of Aves class-specific cis-regulatory elements on macroevolution of bird-specific features[J]. Nature communications 2017,8:14229.

[9] Aurélie Kapusta1,Alexander Suh. evolution of bird genomes—a transposon’s-eye view [J]. ANNALS OF THE NEW YORK ACADEMY OF SCIENCES 2017,1389(1):164-185.