關(guān)于進(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域的“問(wèn)題女王”，中國(guó)科學(xué)家有新突破

近日，《中國(guó)科學(xué)：生命科學(xué)》英文版在線發(fā)表中國(guó)海洋大學(xué)海洋生物多樣性與進(jìn)化研究所原生動(dòng)物學(xué)團(tuán)隊(duì)高鳳教授課題組的研究論文。該研究綜合利用轉(zhuǎn)錄組和蛋白組數(shù)據(jù)全面解析了海洋纖毛蟲(chóng)（扇形游仆蟲(chóng)）整個(gè)生活史過(guò)程的基因和蛋白表達(dá)譜，揭示了大量有性生殖相關(guān)的新基因，為未來(lái)深入研究基因組重排和有性生殖相關(guān)的調(diào)控機(jī)制提供了新資訊。

在浩瀚的生物進(jìn)化長(zhǎng)河中，有性生殖的起源與演化始終是一個(gè)引人入勝而又充滿挑戰(zhàn)的科學(xué)謎題，被譽(yù)為進(jìn)化生物學(xué)領(lǐng)域的“問(wèn)題女王”。有性生殖首次出現(xiàn)在單細(xì)胞原生生物中，且演化出了復(fù)雜和高度多樣的有性生殖策略和分子機(jī)制，為研究有性生殖的早期起源和演化提供了豐富的材料。其中纖毛蟲(chóng)原生動(dòng)物迄今已有超過(guò)十億年的演化史，其生活史中既有無(wú)性生殖又有有性生殖，并且演化出了特殊的有性生殖形式——接合生殖；而且纖毛蟲(chóng)還具有獨(dú)特的細(xì)胞核二態(tài)性（即細(xì)胞內(nèi)同時(shí)存在生殖系小核和體細(xì)胞系大核）。因此，纖毛蟲(chóng)在有性生殖過(guò)程中除了經(jīng)歷有絲分裂、減數(shù)分裂、受精、細(xì)胞結(jié)構(gòu)重塑之外，還會(huì)經(jīng)歷廣泛的基因組重排等過(guò)程，揭示這些過(guò)程中涉及的調(diào)控因子和分子機(jī)制可以極大地增強(qiáng)我們對(duì)有性生殖起源和演化的理解。我們目前對(duì)這些機(jī)制的理解主要來(lái)自模式物種四膜蟲(chóng)（Tetrahymena thermophila）和草履蟲(chóng)（Paramecium tetraurelia）的研究。然而，有性生殖的過(guò)程和調(diào)控在不同纖毛蟲(chóng)中差異顯著，尤其對(duì)于高度多樣和復(fù)雜的海洋類群的研究幾乎空白。

圖1. 扇形游仆蟲(chóng)的生活史過(guò)程和轉(zhuǎn)錄組/蛋白組采樣階段

中國(guó)海洋大學(xué)宋微波院士團(tuán)隊(duì)30年來(lái)一直致力于海洋纖毛蟲(chóng)多樣性的研究，被國(guó)際同行譽(yù)為“全球海洋纖毛蟲(chóng)學(xué)的研究中心”。在此基礎(chǔ)上，高鳳教授帶領(lǐng)課題組成員選擇其中最為高等特化的海洋游仆類纖毛蟲(chóng)——扇形游仆蟲(chóng)（Euplotes vannus），構(gòu)建了海洋纖毛蟲(chóng)新模式體系，并基于此模式探討有性生殖過(guò)程相關(guān)的分子機(jī)制。前期課題組刻畫了扇形游仆蟲(chóng)完整的生活史過(guò)程，解析了其大核基因組“一個(gè)基因一條染色體”的結(jié)構(gòu)特征，并構(gòu)建了其高質(zhì)量的大核基因組數(shù)據(jù)庫(kù)。

為了揭示參與有性生殖過(guò)程的基因和蛋白，該研究通過(guò)對(duì)扇形游仆蟲(chóng) 14 個(gè)生活史階段的轉(zhuǎn)錄組分析，解析出超過(guò) 26,000 個(gè)在不同階段特異表達(dá)的基因，涉及 DNA 復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯、有絲分裂、減數(shù)分裂、細(xì)胞核分化、基因組重排等多個(gè)重要生物學(xué)過(guò)程。通過(guò)物種間的比較，顯示出基因表達(dá)高度的物種特異性，暗示了纖毛蟲(chóng)分子層面的高度多樣性。通過(guò)定量蛋白組學(xué)分析確定了300多個(gè)在有性生殖和新大核發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮功能的重要蛋白，包括 Dicer-like、Hsp90、核糖體相關(guān)蛋白、泛素相關(guān)蛋白、非同源末端連接蛋白、RNA 聚合酶 II 和轉(zhuǎn)錄延伸因子等，參與細(xì)胞分裂、基因表達(dá)調(diào)控等重要過(guò)程。

聚焦新大核發(fā)育階段，該研究鑒定到了 4 個(gè) PIWI-like新蛋白，它們?cè)谟行陨称陂g具有兩種不同的表達(dá)模式，可能在小RNA 介導(dǎo)的基因組重排過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。這一發(fā)現(xiàn)不僅豐富了人們對(duì)非編碼RNA在基因組調(diào)控中作用的認(rèn)識(shí)，也為后續(xù)開(kāi)發(fā)新的基因編輯工具提供了潛在的方向。此外，在新大核發(fā)育階段還鑒定到大批功能未知且顯著上調(diào)的基因和蛋白，對(duì)這些未知基因和蛋白的深入研究或?qū)⒏M(jìn)一步探索基因組重排和有性生殖的奧秘。

高鳳教授為該論文的通訊作者，第一作者為課題組博士畢業(yè)生蔣瑤翰。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目、嶗山實(shí)驗(yàn)室科技創(chuàng)新項(xiàng)目等資助。

圖2. 扇形游仆蟲(chóng)生活史不同階段的基因差異表達(dá)分析

圖3. 不同纖毛蟲(chóng)有性生殖過(guò)程中差異表達(dá)基因的比較