揭示：多倍體魚類中多個重復(fù)的Foxl2部分同源基因和等位基因的功能歧化

1月11日，中國科學(xué)院水生生物研究所桂建芳院士團隊在Molecular Biology and Evolution在線發(fā)表了題為“Functional Divergence of Multiple Duplicated Foxl2 Homeologs and Alleles in A Recurrent Polyploid Fish”的論文。

銀鯽卵巢濾泡形成過程（A）以及Cgfoxl2a與Cgfoxl2b協(xié)同調(diào)控濾泡和配子發(fā)生（B）的示意圖

基因組多倍化為物種新基因和新性狀的形成提供了有利機會，是物種演化的主要驅(qū)動力之一。一般來說，多倍化的結(jié)果導(dǎo)致了生物的復(fù)雜性、可變性和多樣性，特別是增強了其短期的適應(yīng)性潛能和長期的可演化性。新形成的多倍體在經(jīng)歷“基因組休克（genomic shock）”的融合作用后，發(fā)生一系列復(fù)雜的、非孟德爾的基因組變化來突破不穩(wěn)定的瓶頸，對基因組進行改組和重建，演化形成了多倍體或二倍化了的新物種。在異源多倍化過程中，源于兩個物種的重復(fù)基因演變?yōu)椴糠滞椿颍╤omeolog）；在同源多倍化過程中，重復(fù)基因演變成等位基因（allele）。盡管多倍體中重復(fù)基因的演化命運已進行了較多研究，但對具有復(fù)雜基因組的復(fù)發(fā)多倍體重復(fù)基因的功能歧化還知之甚少。

擁有150多條染色體的六倍體銀鯽，在其演化歷程中已被揭示發(fā)生了兩輪多倍化事件：一次早期的異源四倍化和一次近期的同源三倍化。有趣的是，六倍體銀鯽獲得了單性雌核生殖能力，能夠產(chǎn)生全雌性子代。桂建芳院士團隊在前期發(fā)現(xiàn)Forkhead box（Fox）蛋白家族的foxl2a和foxl2b以接力的互作方式調(diào)控斑馬魚卵巢的發(fā)育和維持（Yang et al., Genetics, 2017, 205:1551-1572.）的基礎(chǔ)上，以foxl2為靶基因，試圖在六倍體銀鯽中追蹤其多個重復(fù)的部分同源基因及其等位基因的功能歧化及其對卵巢發(fā)育的調(diào)控機制。

他們首先發(fā)現(xiàn)六倍體銀鯽具有3個歧化的foxl2部分同源基因（Cgfoxl2a-B、Cgfoxl2b-A 和Cgfoxl2b-B），它們又各自具有3個序列高度一致的等位基因，而Cgfoxl2a-A在演化過程中已經(jīng)丟失。Cgfoxl2a-B、Cgfoxl2b-A 和Cgfoxl2b-B均在生殖內(nèi)分泌軸“下丘腦-垂體-性腺”呈現(xiàn)兩性差異表達(dá)，且部分同源基因和等位基因都表現(xiàn)出偏向表達(dá)。CgFoxl2a和CgFoxl2b具有截然不同的細(xì)胞定位，除了在卵巢顆粒細(xì)胞和鞘細(xì)胞中表達(dá)外，CgFoxl2b還分布在原始生殖細(xì)胞和卵原細(xì)胞的核周。接著，他們采用CRISPR/Cas9技術(shù)分別或同時對這多個foxl2部分同源基因或等位基因進行編輯以損毀它們的功能，發(fā)現(xiàn)CgFoxl2a-B的缺失會以劑量依賴的方式導(dǎo)致卵巢發(fā)育停滯或性反轉(zhuǎn)為雄性個體，且含有完整FKH結(jié)構(gòu)域的Cgfoxl2a-B突變等位基因仍能激活Cgcyp19a1a-A 的表達(dá)；完全敲除Cgfoxl2b-A 和Cgfoxl2b-B 將導(dǎo)致不產(chǎn)生配子，盡管突變體中Cgfoxl2a-B的表達(dá)上調(diào)，但不能挽救缺陷表型；同時敲除Cgfoxl2a-B、Cgfoxl2b-A 和Cgfoxl2b-B 導(dǎo)致產(chǎn)生更嚴(yán)重的缺陷表型。

上述的結(jié)果表明，Cgfoxl2a-B、Cgfoxl2b-A 和Cgfoxl2b-B發(fā)生了亞功能化，協(xié)同調(diào)控銀鯽的濾泡發(fā)生和卵巢發(fā)育；同時Cgfoxl2b-A 和Cgfoxl2b-B演化出新功能，調(diào)控配子發(fā)生。此外，他們還利用特異的CgFoxl2a和CgFoxl2b抗體追蹤了銀鯽顆粒細(xì)胞和鞘細(xì)胞的完整發(fā)育命運，鑒定出三類鞘細(xì)胞。他們的研究幾乎涵蓋了所有復(fù)雜的重復(fù)基因演化命運，包括部分同源基因或等位基因多樣化、保留或丟失、偏向表達(dá)，亞功能或新功能化。盡管此前已有對這些演化命運的理論假設(shè)和單個案例的報道，但該研究以一個基因為例，詳細(xì)地闡述了幾乎所有的重復(fù)基因的演化機制。

該研究主要由博士研究生甘瑞海等人完成，通訊作者為桂建芳院士和周莉研究員。研究得到國家重點研發(fā)計劃項目（批準(zhǔn)號：2018YFD0900204）、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目（批準(zhǔn)號：QYZDY-SSW-SMC025）和國家大宗淡水魚產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（批準(zhǔn)號：CARS-45-07）等項目的支持。

論文鏈接:

https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msab002/6081021