《细胞》：新揭示蛇类起源及表型演化的遗传机制
（化石网）据中国科学院成都生物研究所：6月19日，中国科学院成都生物研究所李家堂研究团队选取了全球极具代表性的蛇类物种，整合谱系基因组学、大规模比较转录组学分析方法及基因编辑等实验技术，综合探讨了蛇类起源及表型演化的遗传机制。相关论文以“Large-scale snake genome analyses provide insights into vertebrate development”为题，发表于国际期刊《细胞》（Cell）。
全球蛇类约4,000种，广泛分布于除南极洲外的各大洲陆地和海洋，在进化历史上处于脊椎动物演化的关键节点，是脊椎动物中重要的类群。蛇类具有四肢缺失、身体延长、左右肺不对称发育等特殊表型，揭示这些特殊表型的遗传机制对理解脊椎动物演化具有重要意义。
该研究表明蛇类起源于约1.18亿年前早白垩纪，与帝王蛇蜥和科摩多巨蜥组成的支系互为姐妹枝，这提示蛇类的祖先起源于蜥蜴类物种。蛇类最先分化出的类群为盲蛇类物种（Typhlopidae 和 Leptotyphlopidae），在白垩纪-早第三纪分界点（K-Pg, 约6500万年前）的生物大灭绝事件之后迎来了物种的爆发。
全基因组序列极大似然法重构的31物种（6个外群和25种蛇）系统基因组学框架。
研究重构的蛇类祖先基因组由23对染色体组成，其中包含8对大染色体和15对小染色体。蛇类Z染色体可能起源于蜥蜴的常染色体且在整个蛇类演化中，至少发生过一次断裂。基因组大小与转座子含量的高低呈显著正相关关系，这与蛇类基因组大小与转座子含量无关的结论（之前基于短序列测序提示的结论）是不一致的。与鸟类、哺乳类动物相反，蛇类基因组的GC含量向着降低的方向演化，表明其基因组演化道路可能不同于其它脊椎动物类群。
蛇类基因组演化特征。
蛇类可吞食超过自己头部大小的食物。该研究发现7个与头骨发育有关的正选择基因（HOX7, MMP14, ALX1, LIMK2, CHST11, KAT6B和TCOF1）可能是蛇类头骨特化可进行大幅吞食的重要遗传基础。与消化有关基因的丢失（GHRL, GHSR和MALR1）及适应性演化（GBA2和TRYP2），则可能使蛇类能够适应“暴饮暴食”的饮食习惯。
四肢缺失是蛇类最为特殊的特征。该研究揭示除ZRS增强子外，PTCH1基因编码蛋白的三个氨基酸残基缺失，可能是蛇类四肢缺失的重要遗传机制之一。随着四肢缺失，蛇类的体节数增加，身体延长。研究发现控制脊椎前端发育（FOXC2）和后端发育（DLLC）的重要基因受到强烈正选择，提示它们可能是蛇类身体延长的重要遗传基础。蛇类为适应身体延长，部分器官不对称发育，如退化了一侧肺。研究发现蛇类丢失了控制对称发育的DNAH11和FXJ1B基因，这可能是蛇类肺左右不对称发育的关键原因，研究成果对理解脊椎动物的器官不对称发育具有重要意义。
蛇类骨骼系统演化及器官适应性机制。
蛇类无活动眼睑，眼结构简化，视觉退化。研究表明蛇类丢失了8个光受体相关编码基因和3个对晶状体发育至关重要的基因（CRBB3, CRBB1和 CRBA1）。比较转录组分析进一步揭示，相比较于安乐蜥，蛇类15个光受体细胞维持相关基因显著上调表达。其中ESRRB的上调表达可能受到蛇类基因组特异结构变异的影响，6个基因（PDE6G, AGTPBP1, 2个CLTCs, MKKS和NXNL1）的上调表达可能与其调控元件的快速演化有关。这些提示蛇类可能经历了一个缺少光照的时期，而后又再次适应了明亮环境，调控元件的快速演化可能促进了这一适应过程。
蛇类虽然不是聋子，但没有外耳、中耳，其听力范围仅为50-1,000 Hz，远小于人类（10-20,000Hz）和蜥蜴（＜100-7,700 Hz）。研究发现，16个蛇类耳发育相关基因的潜在调控元件发生了快速演化，重要耳蜗蛋白（otospiralin）编码基因在蛇类中丢失，表明它们可能是蛇类耳形态变化的遗传基础。此外，感受机械振动相关的基因（ASIC2）受到强烈正选择，且在蛇类内耳高表达，揭示它可能是蛇类对机械振动敏感的主要原因。尽管蛇类是否有味觉存在争议，该研究发现蛇类普遍拥有味觉受体及味觉传导相关信号通路，且苦味受体编码基因（TAS2R40）快速演化，提示蛇类的味觉可能并未丢失，且功能可能有一定强化。
盲蛇类物种是蛇类中高度特化的穴居类群，其头骨高度愈合，眼、牙高度退化，专食蚂蚁及蚂蚁卵。该研究发现与非盲蛇相比，47个编码基因在盲蛇中特异丢失，其中包括8个视觉相关基因。比较转录组分析发现12个视感受相关的基因在盲蛇眼中显著低表达，这些基因组元件的改变可能导致盲蛇类视觉丧失。此外，该研究发现，盲蛇与骨骼及牙齿发育相关编码基因的调控元件快速演化，可能是盲蛇头骨特化及牙齿退化的主要原因。盲蛇适应穴居生活，专食富含几丁质的蚂蚁及蚂蚁卵。研究发现，几丁质酶编码基因受到强烈正选择。酶活性检测实验表明，大盲蛇中该几丁质酶的催化活性显著高于缅甸蟒。这表明盲蛇可通过增强几丁质酶的催化活性，消化蚂蚁及蚂蚁卵中含量颇高的几丁质。
对红外光敏感的蟒蚺类蛇和蝮蛇以其特殊的红外感受器官唇窝和颊窝而闻名于世。研究发现，与热响应有关的PMP22基因及与三叉神经发育相关的NFIB基因的调控元件在这两类蛇中发生了趋同快速演化，提示非编码调控元件的快速演化是部分蛇类红外感受能力产生的遗传基础，这对综合理解脊椎动物红外感应的机制具有重要意义。
蛇类感官系统演化。
盲蛇和红外感应蛇类的演化。
该研究率先启动了全球尺度下的蛇类大规模组学研究，构建了蛇类最有力的系统基因组学框架，阐明了蛇类的起源及其特殊表型如四肢缺失、肺不对称发育等表型特征背后的遗传机制。上述研究对理解脊椎动物演化历史具有重要意义，将推动动物演化生物学等相关学科的发展。
李家堂团队未来将聚焦开发玉米蛇为模式动物并开展演化发育生物学研究。同时，围绕蛇毒等重要遗传资源的挖掘和运用，为抗蛇毒血清及蛇毒衍生药物的研发提供科学支撑。研究团队将推动从基础科学到应用基础科学的发展，更好的服务国家重大战略需求。
中国科学院成都生物研究所博士生彭长军、昆明动物研究所吴东东研究员和成都生物研究所助理研究员任金龙为该论文共同第一作者，成都生物研究所李家堂研究员为该论文的独立通讯作者。该研究得到中国科学院B类先导科技专项、国家自然科学基金等项目的资助。
相关：基因告诉你 画蛇“添足”不是没道理
（化石网）据中国科学报（杨晨）：成语画蛇添足，常用于形容做事多此一举，因为蛇并无脚。
但爬行动物领域的研究学者认为，蛇的祖先是蜥蜴，在远古时期，蛇也是有脚的，只是在演化过程中失去了。近日，这一说法得到了进一步证实。
经过长达五年的研究，基于大规模多组学技术与基因编辑等研究手段，中国科学院成都生物研究所（以下简称成都生物所）研究员李家堂极其团队全面揭示了蛇类起源及特有表型演化的遗传机制。相关论文于6月19日晚在《细胞》正式上线，后续将于7月6日作为封面文章发表。
此次研究中，李家堂团队画了一张“家谱”，即基于染色体水平蛇类基因组数据集构建了迄今最有力的蛇类系统发育框架，进一步支持了蛇类起源于约1.18亿年前早白垩纪，以及蛇类是由蜥蜴演化而来的假说。
“迄今最有力”，意为研究的物种覆盖更广，收集的数据更多，基因测序更全也更可信。
同时，他们找到了一些“罪魁祸首”，即影响或导致蛇四肢缺失、身体延长、器官不对称的基因或调控元件，揭示了背后重要的遗传机制。
样本选取 以“最少”覆盖“更多”
在地球上，生活着四千多种各式各样的蛇。这些蛇何时“出世”的，亲缘关系如何，祖先是谁？爬行动物领域内的专家一直在试着画出这样的蛇族“族谱”，即系统发育树状图。
“基于基因组学，之前有研究者就蛇类某个单一的属或者科，做了系统发育框架。”但李家堂想要画一张覆盖更广，更具全球视角的“图”。2015年，他开始谋划，并于2018年正式启动。
考虑到全球有四千多种蛇，共35个科，为提高研究效率和可操作性，样本选取很重要。而且每个科下所属的数量并不均衡，有些科内只有少量物种，有的科则涵盖了八百多个物种。
“我们要以‘最少’的样本覆盖‘更多’的科，选取的物种样本不在于多，能刚好代表和尽量覆盖所有科的特征就行，有普适的意义。”论文一作、成都生物所助理研究员任金龙表示，相较于其他科的物种，同一个科内的物种之间，会有更近的亲缘关系，也更相似。
物种分类有“纲目科属种”，为何以“科”为单位进行样本选取？任金龙表示，这样操作会更“现实”。“例如以‘属’为单位，蛇类有700多个属，类群太多。”
最终，研究团队选取了12个不同科的蛇进行基因组测序，采集的样本量，能够覆盖代表84%现生蛇类类群的科级阶元。基因组测序对样本要求高，为了获取新鲜的样本，研究期间团队每年都会花上2到3个月，外出科考，足迹遍布华南、华北和西南。有的行至高原，找到了西藏温泉蛇一属三种，有的步入新疆沙漠，带回了东方沙蟒的珍贵样本。
要是涉及到国外类群，团队就通过国际合作渠道，获取相关样本进行测序，或者直接共享数据。
选择哪一部分身体组织进行基因提取也有讲究。“蛇的体型比较小，组织不太容易保存，而且有的组织提取出的DNA质量会差。”论文一作、成都生物所博士生彭长军介绍，从蛇的肝脏、肌肉这样的组织里提取，效果会更好。
值得一提的是，数据采集期间，除了选取蛇类近缘的内群样本，团队也收集了可能会有近缘关系的“外群”物种样本，例如科莫多巨蜥、扬子鳄等，看是否能通过基因组学手段印证猜想。
画张“家谱” 推测蛇类起源于1.18亿年前早白垩纪
样本采集好后，通过多种高通量测序技术，团队从头组装了代表了12个不同蛇科的14个高质量参考基因组，其中有12个为染色体水平，说明这次研究数据精细到染色体的层面。
“而且我们测定的是全基因组数据，获取了更多的遗传信息，来印证和支持我们的假说。以前类似的研究都只是测定一个物种的几个基因片段，支持率并不高。”李家堂透露，其他研究团队基于一个基因片段得到的数据量大概只有一两千个bp，而这次研究中，基于全基因组比对获取了接近51 Mb的数据用于构建基因组级别的系统发育树。
基于对数据的研究，团队构建了一个蛇类“家谱”树状图。其描述了不同物种或者类群的亲缘或进化关系，以及大致出现顺序。其中，追溯到同一分支点的路径越短，说明类群或物种间的亲缘关系越近。
要想确定物种出现的大致时间，一般会用到化石校正点的方法。
“例如我们要推测游蛇科出现的时间，我们先要找到迄今为止发现最早的游蛇类化石，至于化石的年代可用碳14断代法测定。”任金龙表示，类群出现的时间绝不会晚于化石形成的时间。“所以我们以此作推断，并对之前构建的系统发生树时间节点进行校正。”
校正完成后，蛇类系统发育框架基本搭建。其横向标明的是时间，纵向是系统发生树。通过这个系统框架可见，蛇类起源于1.18亿年前早白垩纪，与最近缘的类群，即科摩多巨蜥与帝王蛇蜥的最近共同祖先是姐妹枝，提示了蛇类的祖先可能是某种蜥蜴。
蛇类最先分化出的类群为盲蛇（盲蛇科和细盲蛇科），而且在白垩纪-早第三纪分界点（距今6500万年前），树状图显示分化的点多且分支变密集了。“当时正值恐龙大灭绝，提供了大量的生态位，让蛇类有了快速辐射式的增长。”任金龙指出。
基因手段 揭示特殊表型的演化机制
因为环境的变化，蛇的祖先开始了穴居生活。为了更好适应，阻碍行动的四肢被“淘汰”。在后续的演化中，因视力所限，部分蛇发展出了其他定位“猎物”的本领，例如感知红外线。有的蛇，为了活命，还要“习惯”吃蚂蚁或者蚂蚁卵。
慢慢地，蛇的分布越来越广，除了南极洲以外的陆地、海洋、森林、高原和荒漠，都有它的踪迹。“我们想从基因的角度，去解读他们是如何适应这些复杂环境的。”李家堂表示。
根据比较基因组学原理，脊椎动物中，蛇类和其他类别动物有很多发挥相同功能的“同源”基因，但是存在细微差别。而这种差别可能体现在DNA层面的碱基序列或者氨基酸序列的不同或改变，从而导致了不同类群在同一性状上的区别。
但任金龙指出，一个性状可能由极多的基因决定，而且性状的改变是由不同通路调节下的复杂途径所实现的。“所以有时还要结合其他遗传信息进行判断。”
他举例，此次研究中，经过对比发现，蛇的PTCH1基因有可能影响四肢发育。“这个基因在人类、蛇类、小鼠中都有，但是发挥的‘效用’不大相同，其中蛇类的PTCH1基因蛋白特异性缺失了三个氨基酸残基。”
为了印证猜想，就要进行功能实验。团队利用基因编辑小鼠，让蛇类PTCH1基因序列中的“缺陷”在小鼠中实现，发现小鼠的四肢，尤其是指骨方面有明显的缩短。基于此可以判断，蛇类PTCH1氨基酸中片段的缺失很可能影响四肢发育。
同样按照上述研究方法，团队发现，四肢丢失后，蛇类的体节数增加，且身体被拉长，正是因为控制脊椎前端发育和后端发育的重要基因受到强烈正选择。
此外，研究团队发现蛇类丢失了控制器官对称发育的DNAH11和FXJ1B基因。“可能就是导致其左右肺不对称，只有一侧右肺的原因，因为要去适应身体的延长。”李家堂表示。
蛇有得天独厚的感热器官“颊窝”，里面有一厚约10 μm、布满神经末梢的薄膜，对红外光特别敏感，能测出小至0.002℃的温度变化，帮助蛇判别猎物的位置。围绕这一特性，研究探讨了红外感应蛇类演化遗传机制，发现了与热响应相关的PMP22基因，以及与三叉神经发育相关的NFIB基因的非编码调控元件在部分蛇类中趋同演化，成为这类蛇感知红外光谱的重要遗传驱动力。
未来方向 为抗蛇毒衍生药物的研发提供支撑
回溯这五年的研究历程，论文通讯作者李家堂坦言，这项科研工作不在于难，而在于“坚持”，“我们有扎实的蛇类研究基础，并受益于前辈积累的丰富资料，利用多学科交叉研究手段，从更广泛、多维度的视角，对蛇类的起源和系统发育，特殊性状的遗传机制进行研究。”
他指出，蛇处于脊椎动物演化的关键节点，因具有高度特化的重要表型如四肢缺失、脊柱延长等，被视为脊椎动物演化史上一独特的类群，是研究动物复杂性状形成机制的理想物种。
此次研究率先开展了爬行动物大规模组学研究，研究结果可加深对蛇类的起源及其复杂性状形成机制的理解，推动了爬行动物乃至脊椎动物演化发育生物学的发展。
从医学角度来讲，研究揭示的遗传信息将为动物遗传育种及人类复杂疾病的研究提供重要启示。例如可以通过深入研究揭示影响蛇肺不对称的遗传机制，从而帮助解析人类相关疾病的成因，以探索治疗办法。
此外，研究蛇类红外感应这一特性，还有助于开发设计仿生蛇类红外探测原理的产品，运用于实际生活。
采访中，李家堂透露，团队将推动从基础科学到应用基础科学的发展，更好地服务国家重大战略需求。“聚焦开发玉米蛇为模式动物，并开展演化发育生物学研究。同时，根据这次研究的思路和方法，开展蛇毒等重要遗传资源的挖掘和运用，为抗蛇毒血清及蛇毒衍生药物的研发提供科学支撑。”
