海洋所在魚類性染色體早期演化機制研究取得新進展
近日,國際學(xué)術(shù)期刊Molecular Biology and Evolution在線刊發(fā)了中國科學(xué)院海洋研究所劉進賢研究團隊的最新研究成果,該研究首次在下鱵魚屬中捕捉到性染色體轉(zhuǎn)換現(xiàn)象,并發(fā)現(xiàn)沙氏下鱵的性染色體存在大范圍的重組抑制和遺傳退化現(xiàn)象,研究結(jié)果為理解脊椎動物性染色體的早期演化機制提供了關(guān)鍵實證。
性別決定系統(tǒng)和性染色體演化一直是生物學(xué)家關(guān)注的核心科學(xué)問題之一。性染色體在不同真核生物類群獨立起源,其多樣性和易變性不僅直接影響物種的性別比例和繁殖模式,而且在生物多樣性產(chǎn)生和維持過程中扮演重要角色,從而影響物種的適應(yīng)性和進化潛力。傳統(tǒng)的性染色體演化的研究主要依賴于哺乳動物的XY系統(tǒng)和鳥類的ZW系統(tǒng)這些具有古老演化歷史的模型。但這些古老性染色體系統(tǒng)大多已存在數(shù)千萬至數(shù)億年,因此很難據(jù)此解析性染色體的早期演化機制。因此,基于年輕性染色體系統(tǒng)開展研究可為揭示性染色體演化早期過程中的重組抑制形成機制、退化速率、劑量補償?shù)瓤茖W(xué)問題提供關(guān)鍵證據(jù)。
形態(tài)學(xué)和分子證據(jù)顯示,下鱵魚屬的沙氏下鱵(Hyporhamphus sajori)和間下鱵(H. intermedius)存在最近的親緣關(guān)系,研究團隊通過染色體水平基因組組裝、全基因組關(guān)聯(lián)分析和比較基因組學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)兩近緣種之間存在性染色體轉(zhuǎn)換,并揭示了沙氏下鱵年輕性染色體的早期演化過程。

圖1?兩種下鱵魚系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系和全基因組共線關(guān)系
研究首先發(fā)現(xiàn)沙氏下鱵具有ZW型性別決定系統(tǒng),在其5號染色體上存在一個約26 Mb的性別連鎖區(qū),而間下鱵為XY型性別決定系統(tǒng),性別連鎖區(qū)域位于一個不同源的染色體上且范圍很?。▇140 kb),表明在下鱵魚屬中至少發(fā)生過一次性染色體轉(zhuǎn)換事件。進一步研究發(fā)現(xiàn),沙氏下鱵的性別連鎖區(qū)域包含兩個演化斷層,依據(jù)較古老斷層推算ZW之間分化不早于三百萬年前,晚于兩個物種分化時間。在W染色體上發(fā)現(xiàn)了大量的重復(fù)序列積累,與Z染色體及間下鱵中同源染色體相比較,W上存在五個染色體倒置,推測重復(fù)序列積累及大的染色體倒置是促進Z-W之間大范圍重組抑制的關(guān)鍵驅(qū)動力。盡管沙氏下鱵性染色體演化時間很短,但W上性別連鎖區(qū)內(nèi)已經(jīng)有大約三分之一的蛋白質(zhì)編碼基因喪失功能,表明該物種在性染色體形成早期正經(jīng)歷快速的遺傳退化過程。轉(zhuǎn)錄組分析顯示,沙氏下鱵Z染色體上少部分性別連鎖基因可能已經(jīng)演化出某種形式的劑量補償效應(yīng)。

圖2?沙氏下鱵性染色體上大范圍重組抑制區(qū)
中國科學(xué)院海洋研究所邢騰飛特別研究助理和李玉龍副研究員為論文共同第一作者,楊昊博士參與了本項目研究,英國愛丁堡大學(xué)Deborah Charlesworth教授和劉進賢研究員為共同通訊作者。研究得到國家自然科學(xué)基金和山東省自然科學(xué)基金項目的資助。
論文信息:
Teng-Fei Xing#, Yu-Long Li#, Hao Yang, Deborah Charlesworth*, Jin-Xian Liu*. Extensive recombination suppression and genetic degeneration of a young ZW sex chromosome system in halfbeak fish. Molecular Biology and Evolution, 2025, msaf151, https://doi.org/10.1093/molbev/msaf151
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