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,國際學術期刊Molecular Biology and Evolution在線刊發(fā)了中國科學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換現象,并發(fā)現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象,研究結果為理解脊椎動物性染色體的早期演化機制提供了關鍵實證。
性別決定系統和性染色體演化一直是生物學家關注的核心科學問題之一。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生和維持過程中扮演重要角色,從而影響物種的適應性和進化潛力。傳統的性染色體演化的研究主要依賴于哺乳動物的XY系統和鳥類的ZW系統這些具有古老演化歷史的模型。但這些古老性染色體系統大多已存在數千萬至數億年,因此很難據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、劑量補償等科學問題提供關鍵證據。
形態(tài)學和分子證據顯示,下鱵魚屬的沙氏下鱵(Hyporhamphus sajori)和間下鱵(H. intermedius)存在最近的親緣關系,研究團隊通過染色體水平基因組組裝、全基因組關聯分析和比較基因組學分析,發(fā)現兩近緣種之間存在性染色體轉換,并揭示了沙氏下鱵年輕性染色體的早期演化過程。

圖1?兩種下鱵魚系統發(fā)育關系和全基因組共線關系
研究首先發(fā)現沙氏下鱵具有ZW型性別決定系統,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,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換事件。進一步研究發(fā)現,沙氏下鱵的性別連鎖區(qū)域包含兩個演化斷層,依據較古老斷層推算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)現了大量的重復序列積累,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鍵驅動力。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)內已經有大約三分之一的蛋白質編碼基因喪失功能,表明該物種在性染色體形成早期正經歷快速的遺傳退化過程。轉錄組分析顯示,沙氏下鱵Z染色體上少部分性別連鎖基因可能已經演化出某種形式的劑量補償效應。

圖2?沙氏下鱵性染色體上大范圍重組抑制區(qū)
中國科學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基金和山東省自然科學基金項目的資助。
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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