中科院海洋所揭秘對(duì)蝦進(jìn)化中的關(guān)鍵因素

近日，由中科院海洋所李富花課題組主導(dǎo)完成的科研論文“簡(jiǎn)單重復(fù)序列促進(jìn)對(duì)蝦基因組可塑性和適應(yīng)性進(jìn)化”在Nature子刊《通訊-生物學(xué)》在線發(fā)表。該研究針對(duì)簡(jiǎn)單重復(fù)序列（simple sequence repeat，SSR）在對(duì)蝦基因組內(nèi)呈爆發(fā)式擴(kuò)張的現(xiàn)象，首次提出SSR在基因組內(nèi)急速擴(kuò)張的新機(jī)制，揭示了SSR在對(duì)蝦基因組的可塑性和適應(yīng)性進(jìn)化過(guò)程中的關(guān)鍵作用。

△從簡(jiǎn)單到復(fù)雜

SSR是由1~6個(gè)堿基串聯(lián)重復(fù)多次形成，在所有已測(cè)基因組物種中含量普遍較低（僅約1%左右），而且它們通常被認(rèn)為是沒(méi)有功能的，屬于基因組上的“垃圾DNA”。然而，該課題組前期研究發(fā)現(xiàn)凡納濱對(duì)蝦基因組SSR含量竟高達(dá)23.93%，引發(fā)了研究人員對(duì)于SSR在對(duì)蝦進(jìn)化中的功能及作用機(jī)制的濃厚興趣。

△對(duì)蝦基因組SSR擴(kuò)張與適應(yīng)性進(jìn)化

為了探究SSR的分布特征和功能，研究人員完成了另一種對(duì)蝦——中國(guó)明對(duì)蝦——的全基因組測(cè)序和組裝，并基于Hi-C測(cè)序，構(gòu)建了凡納濱對(duì)蝦和中國(guó)明對(duì)蝦染色體水平的基因組圖譜。通過(guò)比較基因組學(xué)分析，推斷SSR的爆發(fā)式擴(kuò)張發(fā)生在對(duì)蝦的祖先基因組上，而SSR的特異性擴(kuò)張也出現(xiàn)在不同對(duì)蝦分化之后。SSR的擴(kuò)張事件也與生物大滅絕事件后對(duì)蝦的快速進(jìn)化時(shí)間一致，提示了SSR在對(duì)蝦適應(yīng)性進(jìn)化過(guò)程中的關(guān)鍵作用。

△對(duì)蝦SSR擴(kuò)張新機(jī)制

本研究首次發(fā)現(xiàn)SSR爆發(fā)式擴(kuò)張的新機(jī)制，與傳統(tǒng)認(rèn)為的復(fù)制滑動(dòng)突變模型不同，研究人員發(fā)現(xiàn)對(duì)蝦SSR的爆發(fā)式擴(kuò)張主要與轉(zhuǎn)座元件的攜帶有關(guān)，并進(jìn)一步鑒定出近期活躍的轉(zhuǎn)座元件，推斷其仍具有攜帶SSR擴(kuò)張的潛能。此外，本研究發(fā)現(xiàn)SSR在對(duì)蝦基因組可塑性和環(huán)境適應(yīng)中具有重要作用，高密度的SSR分布引起對(duì)蝦染色體內(nèi)大規(guī)?；蚪M重排。

△SSR參與對(duì)蝦鹽度適應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控

盡管中國(guó)明對(duì)蝦和凡納濱對(duì)蝦親緣關(guān)系相近，但是它們?cè)邴}度適應(yīng)能力上卻存在顯著差異。研究人員首次發(fā)現(xiàn)對(duì)蝦主要通過(guò)調(diào)控體內(nèi)自由氨基酸的含量來(lái)調(diào)節(jié)體內(nèi)的滲透壓，而SSR能富集于基因調(diào)控區(qū)，參與滲透壓調(diào)節(jié)關(guān)鍵通路的基因表達(dá)調(diào)控。這些基因表達(dá)模式的差異可能是引起兩種對(duì)蝦滲透壓調(diào)控能力差異的重要原因。

該成果為闡明生物體內(nèi)SSR的功能和甲殼動(dòng)物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)進(jìn)化研究提供了新的線索，也為對(duì)蝦基因組育種和分子改良提供了重要的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。