南美肺魚(yú)（圖片來(lái)源：Katherine Seghers, Louisiana State University）
生命總會(huì)找到自己的出路，雖然其中的一條路可能是“撿垃圾”。
在 8 月非洲的小水潭里，一條黑色的大魚(yú)一躍而起，探出水面。它張大嘴巴，隨著一陣風(fēng)箱一樣的聲音，它吞下了足夠的空氣，又鉆回了水下。
這是一條肺魚(yú)。肺魚(yú)和其他魚(yú)一樣有鰓，但它們還擁有一個(gè)非常原始的肺，肺的內(nèi)表面甚至也覆蓋著大量蜂窩狀空腔，它剛剛吞下的空氣會(huì)在這里發(fā)生交換，保證它在旱季也能生存下去。
在我們的印象中，肺似乎是獨(dú)屬于陸生動(dòng)物的結(jié)構(gòu)。也難怪在 20 世紀(jì) 80 年代前，人們?cè)欢日J(rèn)為肺魚(yú)就是包括人類在內(nèi)所有四足動(dòng)物的祖先。但我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，我們的祖先或許曾一度和肺魚(yú)共享同樣的棲息地，但肺魚(yú)并不是我們的直接祖先。
4.2 億年前，兩種魚(yú)類分道揚(yáng)鑣。其中一支登上了陸地，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的演化誕生了人類，另一支卻幾乎沒(méi)有變化。目前已知最早的肺魚(yú)化石發(fā)現(xiàn)于 4 億年前早泥盆世的地層，然而到 4 億年后的今天，現(xiàn)生的澳大利亞肺魚(yú)（Neoceratodus forsteri）和化石長(zhǎng)得堪稱一模一樣?，F(xiàn)在，這些被稱為“活化石”的生物只剩下了 6 個(gè)物種，其中一種在澳大利亞，一種在南美洲，另外4種則生活在非洲。
繪圖: 楚步瀾（Brian Choo）
巨大基因組
身體形態(tài)幾乎沒(méi)變，并不意味著肺魚(yú)在漫長(zhǎng)的演化中什么都沒(méi)有得到——它們得到了一個(gè)巨大的基因組。南美肺魚(yú)（Lepidosiren paradoxa）的 DNA 擁有超過(guò) 910 億個(gè)堿基對(duì)，是迄今所有已測(cè)序物種中最大的。
而在南美肺魚(yú)的基因組得到測(cè)序之前，這個(gè)紀(jì)錄的保持者是澳大利亞肺魚(yú)和非洲肺魚(yú)（Protopterus annectens），它們的基因組有約 400 億個(gè)堿基對(duì)。作為對(duì)比，人類的基因組只有 30 億個(gè)堿基對(duì)。在南美肺魚(yú)的 19 條染色體中，其中 18 條單獨(dú)拿出來(lái)，都要大于人類的整個(gè)基因組。
如此巨大的基因組，當(dāng)然會(huì)給研究帶來(lái)極大的困難。基因組測(cè)序的過(guò)程有一點(diǎn)像拼拼圖，曾經(jīng)的測(cè)序技術(shù)每次只能讀取很短的一段基因序列，這就像是固定了每一塊拼圖的大小。當(dāng)整個(gè)拼圖變得非常巨大，拼圖的片數(shù)也會(huì)驟增。
但隨著近年來(lái)長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序（long-read sequencing）技術(shù)的發(fā)展，研究者可以一次性讀取含有上千，甚至上萬(wàn)個(gè)堿基的序列，讓我們有機(jī)會(huì)看到這些巨大基因組的全貌。
如果不考慮是否已被測(cè)序，石花肺魚(yú)（Protopterus aethiopicus）保持著地球動(dòng)物中最大基因組的紀(jì)錄，紐斯河泥螈（Necturus lewisi）緊隨其后。（圖片來(lái)源：《環(huán)球科學(xué)》2022年3月刊，《蠑螈：慢節(jié)奏的演化傳奇》）
2021 年，德國(guó)康斯坦茨大學(xué)的演化生物學(xué)家阿克塞爾·邁耶（Axel Meyer）和維爾茨堡大學(xué)的生物化學(xué)家曼弗雷德·沙特爾（Manfred Schartl）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究小組在《自然》（Nature）上發(fā)表了他們的研究結(jié)果，他們重建出了澳大利亞肺魚(yú)大部分的基因組序列。
最近，這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)再次登上《自然》，解鎖了非洲肺魚(yú)和南美肺魚(yú)的全基因組序列。這項(xiàng)研究不僅帶來(lái)了迄今最大的基因組測(cè)序結(jié)果，還帶我們看到了肺魚(yú)基因組“長(zhǎng)大”的過(guò)程。
一身累贅
基因組大并不代表有效信息多。在記錄人類遺傳信息的 30 億個(gè)堿基對(duì)中，只有大約 2 萬(wàn)個(gè)傳統(tǒng)意義上的基因，或者說(shuō)編碼蛋白質(zhì)的 DNA 片段。其余的部分，則一度被認(rèn)為是沒(méi)有意義的“垃圾 DNA”。
而作為對(duì)比，南美肺魚(yú)的基因組大小是人類的 30 倍以上，卻也只有大約 2 萬(wàn)段是真正編碼蛋白質(zhì)的序列。這意味著它們基因組中的“垃圾”甚至更多。事實(shí)上，研究者意識(shí)到，南美肺魚(yú)超過(guò) 90% 的基因都是一些重復(fù)的序列。
這 90% 的“垃圾”有另一個(gè)名字——轉(zhuǎn)座子，或者說(shuō)跳躍基因，這是一些可以在基因中跳來(lái)跳去的 DNA 片段。問(wèn)題在于，其中的大部分除了在基因中“跳躍”，還可以將自己“復(fù)印”出大量的拷貝，再分別插入基因組中。而這些“新生”的片段，依然可以繼續(xù)自我復(fù)制，從而像病毒一樣，在基因中大量“繁殖”。正是通過(guò)這樣的方式，轉(zhuǎn)座子在肺魚(yú)的基因中不斷繁殖，將它們的基因撐到了如此龐大的地步。
這樣的特性讓轉(zhuǎn)座子一度被稱為“自私的基因”，或是“基因寄生蟲(chóng)”。顯然，如果轉(zhuǎn)座子大規(guī)?；钴S，甚至插入重要的基因中，將會(huì)給“宿主”帶來(lái)嚴(yán)重的后果。所以在大部分情況下，我們可以看到生物也演化出了一整套防御機(jī)制。例如，KRAB 型鋅指蛋白可以通過(guò)識(shí)別特定的 DNA 序列，結(jié)合到轉(zhuǎn)座子上，從而在表觀遺傳學(xué)層面沉默轉(zhuǎn)座子。在生殖細(xì)胞中，piRNA 則通過(guò)靶向轉(zhuǎn)座子，形成雙鏈 RNA，抵御轉(zhuǎn)座子的侵入。
然而，肺魚(yú)似乎缺少了這種功能。研究者發(fā)現(xiàn)，相比于人類和其他肺魚(yú)，南美肺魚(yú)基因組中與 piRNA 和 KRAB 型鋅指蛋白相關(guān)的基因大幅減少（人類和其他肺魚(yú)有大約 300 個(gè)拷貝，而南美肺魚(yú)只有 23 個(gè)）?；蛟S正是因?yàn)槭チ藸恐妻D(zhuǎn)座子的能力，才讓南美肺魚(yú)擁有了巨大的基因組。
最終結(jié)果就是，我們看到南美肺魚(yú)基因組的擴(kuò)增速度是已知物種中最快的：平均而言，每過(guò)一千萬(wàn)年，南美肺魚(yú)的基因組就可以增長(zhǎng)出一個(gè)人類基因組的大小，而這個(gè)增長(zhǎng)速度它們已經(jīng)維持了至少一億年?！岸宜€在繼續(xù)增長(zhǎng)，”邁耶說(shuō)，“我們有證據(jù)表明，現(xiàn)在南美肺魚(yú)基因中的轉(zhuǎn)座子仍然活躍。”
擴(kuò)增的代價(jià)
這讓我們不禁問(wèn)出一個(gè)問(wèn)題，巨大的基因組會(huì)帶來(lái)怎樣的生存代價(jià)？在另一種同樣擁有龐大基因組的生物——蠑螈——中，我們可以清晰地看到這種代價(jià)。
不同蠑螈物種的基因組大小的變化很大，最少的“只有”100 億個(gè)堿基對(duì)，而多的可達(dá) 1200 億個(gè)，同樣塞滿了轉(zhuǎn)座子。這些基因組中的“累贅”，讓許多蠑螈長(zhǎng)成了“巨嬰”：就像紐斯河泥螈一樣，長(zhǎng)著幼嫩的鰓、軟弱的四肢和極為簡(jiǎn)潔的大腦，終生也無(wú)法完全完成變態(tài)過(guò)程。
2018 年，一項(xiàng)研究給出了可能的答案。研究者重建了墨西哥鈍口螈（Ambystoma mexicanum）的基因組，共包含 320 億個(gè)堿基對(duì)，他們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座子并不只是單純地散布在基因與基因之間，也大量存在于基因內(nèi)部的內(nèi)含子區(qū)域。基因表達(dá)時(shí)，包括內(nèi)含子在內(nèi)的整段 DNA 都會(huì)被轉(zhuǎn)錄成一條 RNA 鏈，接著內(nèi)含子需要被修剪掉，剩下的序列才能作為模板，生產(chǎn)蛋白質(zhì)。
墨西哥鈍口螈（圖片來(lái)源：pixabay）
由于塞滿了轉(zhuǎn)座子，墨西哥鈍口螈的內(nèi)含子序列可達(dá)人類基因內(nèi)含子長(zhǎng)度的 13 倍，于是它們的 RNA 就需要更長(zhǎng)時(shí)間才能生成，引導(dǎo)細(xì)胞分化的指令也要更久才能生效，以至于它們身體的每一個(gè)部分都很難真正地長(zhǎng)大。
肺魚(yú)似乎沒(méi)有遭受類似的困境。2021 年，在一項(xiàng)發(fā)表于《細(xì)胞》（Cell）的研究中，西北工業(yè)大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中科院武漢水生生物研究所和中國(guó)農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所、華大基因研究院等單位聯(lián)合解析了非洲肺魚(yú)首個(gè)完整且高質(zhì)量的超大基因組。結(jié)果顯示，非洲肺魚(yú)的內(nèi)含子同樣非常長(zhǎng)，整個(gè)基因組中近 16Gb 都是內(nèi)含子。
非洲肺魚(yú)中最長(zhǎng)的基因?yàn)?18 Mb，比墨西哥鈍口螈（6.7 Mb）和人類（2.5 Mb）都要長(zhǎng)得多。通過(guò)檢查轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，研究者發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)水平和基因長(zhǎng)度之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性，即使是長(zhǎng)度大于 1 Mb 的基因，也表現(xiàn)出與其他較短基因相似的表達(dá)水平。換句話說(shuō)，基因長(zhǎng)度的變化對(duì)非洲肺魚(yú)的基因表達(dá)似乎沒(méi)什么影響?！斑@些結(jié)果表明，”論文中寫道，“為了保持基因表達(dá)的平衡，肺魚(yú)中超長(zhǎng)基因的轉(zhuǎn)錄效率可能有所提高。”
登陸的每一步
當(dāng)我們仔細(xì)了解肺魚(yú)的基因組變化時(shí)，也能看到四足動(dòng)物祖先在從水到陸的中間階段，經(jīng)歷了怎樣的演化過(guò)程。這個(gè)過(guò)程需要生命在一系列方面的創(chuàng)新：用肺呼吸、有支撐能力的四肢、能應(yīng)對(duì)干燥的皮膚、截然不同的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)……
肺魚(yú)不僅擁有了原始的肺，它們編碼肺表面活性蛋白 B 的基因也已經(jīng)大大增加，這是一種復(fù)雜的脂蛋白，可以維持肺泡大小的相對(duì)穩(wěn)定。肺魚(yú)中相關(guān)基因的數(shù)量是硬骨魚(yú)和軟骨魚(yú)的 2~3 倍，與四足動(dòng)物的典型數(shù)量一致。同時(shí)，肺魚(yú)中參與嗅覺(jué)的基因也出現(xiàn)了擴(kuò)增——這是一種對(duì)在空氣中生活的預(yù)適應(yīng)。
另一個(gè)重要的變化發(fā)生在四肢。肺魚(yú)和拉蒂邁魚(yú)同屬于肉鰭魚(yú)類，它們的鰭中已經(jīng)有了初步的骨骼，帶來(lái)了一定的支撐能力?；蚪M序列也補(bǔ)全了這段故事：研究者在肺魚(yú)的基因組中，看到了四足動(dòng)物中與四肢發(fā)育相關(guān)的基因，此前這樣的模式從未在其他魚(yú)類中看到過(guò)。這說(shuō)明，“早期肉鰭魚(yú)類已經(jīng)產(chǎn)生了類似四肢的基因表達(dá)，為之后的四足適應(yīng)做好了準(zhǔn)備?！?/p>
不過(guò)在現(xiàn)生肺魚(yú)中，只有澳大利亞肺魚(yú)和祖先一樣，擁有粗壯的肉質(zhì)鰭。在過(guò)去的一億年間，非洲肺魚(yú)和南美肺魚(yú)的胸鰭和腹鰭都退化成了絲狀。（圖片來(lái)源：Katherine Seghers, Louisiana State University）
研究者甚至看到了一些意想不到的發(fā)現(xiàn)。在 2021 年發(fā)表于《細(xì)胞》的研究中，研究者注意到，和抗焦慮密切相關(guān)的蛋白神經(jīng)肽 S 及其受體在肺魚(yú)和四足動(dòng)物的祖先中曾共同出現(xiàn)。與此相吻合的是，大腦的杏仁核也是從肺魚(yú)和四足動(dòng)物的祖先開(kāi)始，具備了相對(duì)成熟的多分區(qū)結(jié)構(gòu)。研究人員推測(cè)，肺魚(yú)和四足動(dòng)物的祖先在焦慮處理能力方面可能更強(qiáng)，以適應(yīng)空氣呼吸和陸地生活等完全不同的環(huán)境干擾。
參考文獻(xiàn)
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07830-1#author-information
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03198-8#ref-CR19
[3]https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00090-8
[4]https://www.eurekalert.org/news-releases/1054265
[5]https://www.eurekalert.org/news-releases/907686
[6]http://www.kiz.ac.cn/xwzx/news5/202102/t20210226_5961028.html
[7]《環(huán)球科學(xué)》2022年3月刊，《蠑螈：慢節(jié)奏的演化傳奇》
策劃制作
來(lái)源丨環(huán)球科學(xué)（ID：huanqiukexue）
作者丨二七
責(zé)編丨何通
審校丨徐來(lái) 林林
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