近日，華大海洋與福建農(nóng)林大學(xué)合作，在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊PLoS Genetics上發(fā)表了高質(zhì)量的雅浦海溝獅子魚(yú)基因組論文。
該論文通過(guò)多組學(xué)測(cè)序與分析，詳細(xì)闡明了該魚(yú)適應(yīng)高水壓、低溫和弱光深海環(huán)境的分子機(jī)制[1]，該成果為深淵生物學(xué)的深入研究提供了寶貴的遺傳資源。
福建農(nóng)林大學(xué)母尹楠副教授和深圳市華大海洋研究院副院長(zhǎng)卞超副研究員為該論文的共同作者，福建農(nóng)林大學(xué)海洋研究院院長(zhǎng)陳新華教授和華大海洋研究院院長(zhǎng)石瓊教授為論文的共同通訊作者。
本論文主要研究?jī)?nèi)容及突破成果
深淵環(huán)境（深度在6000米以下）的特點(diǎn)是極高的流體靜壓力、低溫、匱乏的食物供應(yīng)以及微弱的光線條件。魚(yú)類是生活在這種深海地帶的脊椎動(dòng)物，在至少五個(gè)地理上相互分開(kāi)的海域中都發(fā)現(xiàn)了深海獅子魚(yú)的活動(dòng)蹤跡。本文研究的深海獅子魚(yú)捕獲自約7000米深的雅浦海溝。
人們對(duì)脊椎動(dòng)物在這種極端環(huán)境下生存的適應(yīng)性分子機(jī)制知之甚少。本研究構(gòu)建了高質(zhì)量的雅浦海溝獅子魚(yú)（Yap hadal snailfish，YHS）的參考基因組。
比較基因組分析的結(jié)果表明，許多與DNA修復(fù)相關(guān)的基因顯示為正選擇，這些基因的拷貝數(shù)在YHS基因組中發(fā)生了擴(kuò)張現(xiàn)象，從而也說(shuō)明在高水壓條件下維持DNA的完整性是很困難的。
5個(gè)拷貝的含黃素單加氧酶3（fmo3）基因和YHS腸道中大量產(chǎn)生三甲胺（TMA）的細(xì)菌，可以提供足夠的氧化三甲胺（TMAO）來(lái)改善在深海壓力中蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。
此外， YHS感覺(jué)基因退化的特點(diǎn)與深海中稀缺的食物供應(yīng)及黑暗環(huán)境相一致。有關(guān)研究結(jié)果為深海生物適應(yīng)深海環(huán)境的分子機(jī)制提供了新的見(jiàn)解和極有價(jià)值的基因組資源，這將有助于進(jìn)一步解析魚(yú)類的深海適應(yīng)性進(jìn)化。
深海獅子魚(yú)的形態(tài)特征與基因組組裝結(jié)果
中國(guó)7000米級(jí)深海載人潛器“蛟龍”號(hào)在雅浦海溝6903米深的地方（圖2A），捕獲了兩條深海獅子魚(yú)（圖2B）。它們的身體呈粉紅色至白色，通過(guò)透明的皮膚和腹膜能看見(jiàn)較大的胃和肝臟；它們的眼睛明顯比眼眶小，幾乎進(jìn)入頭部的背側(cè)。這些特征與其它深海獅子魚(yú)[2]類似。
基于16S rRNA和細(xì)胞色素c氧化酶亞基I 基因（COI）的系統(tǒng)發(fā)育分析，證實(shí)雅浦海溝獅子魚(yú)與馬里亞納海溝獅子魚(yú)[2]屬于同一分支。因此本研究將這兩條從雅浦海溝捕獲的獅子魚(yú)暫時(shí)命名為雅浦海溝獅子魚(yú)。
YHS組裝基因組大小為731.75 Mb，包括1,271個(gè)scaffold；contig N50 和scaffold N50分別為0.75 Mb與1.26 Mb；基因組組裝完整度高達(dá)96.17%。YHS基因組的GC含量為43.92%，重復(fù)序列占全基因組的53.61%；研究鑒定出2.14 Mb的非編碼RNA （ncRNAs），占基因組的0.29%。終預(yù)測(cè)出24,329個(gè)蛋白編碼基因，與其它二倍體硬骨魚(yú)類基因組的基因數(shù)量相似；其中24,265個(gè)蛋白編碼基因得到功能注釋。
基因家族與物種進(jìn)化
用22個(gè)代表性脊椎動(dòng)物的基因組序列進(jìn)行進(jìn)化分析時(shí)，共預(yù)測(cè)到25,787個(gè)基因家族和259個(gè)共享單拷貝基因家族；YHS基因組其中144個(gè)基因家族。YHS、馬里亞納海溝獅子魚(yú)（MHS）、塔納卡（Tanaka）獅子魚(yú)和斑馬魚(yú)有高度的基因家族重疊（共9,947個(gè)；圖2D）。
在構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)中，相比塔納卡獅子魚(yú)分支，YHS和MHS是親緣關(guān)系更密切的姊妹種；大約在92萬(wàn)年前，YHS與MHS分離（圖3）。
YHS組裝基因組大小為731.75 Mb，包括1,271個(gè)scaffold；contig N50 和scaffold N50分別為0.75 Mb與1.26 Mb；基因組組裝完整度高達(dá)96.17%。YHS基因組的GC含量為43.92%，重復(fù)序列占全基因組的53.61%；研究鑒定出2.14 Mb的非編碼RNA （ncRNAs），占基因組的0.29%。終預(yù)測(cè)出24,329個(gè)蛋白編碼基因，與其它二倍體硬骨魚(yú)類基因組的基因數(shù)量相似；其中24,265個(gè)蛋白編碼基因得到功能注釋。
DNA損傷的修復(fù)能力
高水壓會(huì)導(dǎo)致DNA斷裂和損傷。GO富集分析發(fā)現(xiàn)，“DNA修復(fù)”類別中包含34個(gè)特異新基因（圖4A），包括rad52、rad9a、ercc1、exo1、pms1和polk。
對(duì)于DNA修復(fù)蛋白R(shí)AD52，與其它物種的保守位點(diǎn)相比，兩種深海獅子魚(yú)（YHS和馬里亞納海溝獅子魚(yú)）有著共同的兩個(gè)高可信度氨基酸置換位點(diǎn)：68位甲硫氨酸對(duì)亮氨酸的取代和167位賴氨酸對(duì)甲硫氨酸的取代（圖4B）。RAD9A，一種DNA損傷檢查蛋白，也存在類似的情況（圖4C）。
此外，對(duì)Pfam結(jié)構(gòu)域分析顯示，YHS基因組包含8個(gè)RAD51副鏈基因，rad51和xrcc2基因的拷貝數(shù)多于其它硬骨魚(yú)類（圖4D）。
蛋白穩(wěn)定性
氧化三甲胺（TMAO）是一種有效的蛋白質(zhì)穩(wěn)定劑，常見(jiàn)于海洋魚(yú)類的肌肉組織中。該化合物可以緩解水壓對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，甚至可將一些變性蛋白恢復(fù)至天然結(jié)構(gòu)[3, 4]。
YHS肌肉中TMAO含量遠(yuǎn)高于大黃魚(yú)和斑馬魚(yú)（圖5A）。與馬里亞納海溝獅子魚(yú)類似，在YHS基因組中發(fā)現(xiàn)有5個(gè)拷貝的TMAO生成基因（fmo3），其中4個(gè)是串聯(lián)重復(fù)的（圖5B）。
fmo3c轉(zhuǎn)錄本在YHS肝臟中的豐度非常高，大于所有其它fmo3基因在所測(cè)器官中的水平（圖5C），從而表明FMO3c可能是YHS產(chǎn)生TMAO的主要氧化酶。對(duì)腸道微生物的宏基因組分析結(jié)果表明，YHS腸道中含有大量產(chǎn)生三甲胺（TMA）的細(xì)菌（圖5D）。
因此推測(cè)，雅浦海溝獅子魚(yú)中豐富的TMA以及擴(kuò)張（五個(gè)拷貝）的fmo3基因有助于維持TMAO的高水平表達(dá)，進(jìn)而提升蛋白質(zhì)在深海環(huán)境下的穩(wěn)定性（圖5E）。
感覺(jué)系統(tǒng)
在YHS和馬里亞納獅子魚(yú)（MHS）基因組中對(duì)兩個(gè)拷貝的酸味受體基因（pkd2l1）進(jìn)行了共線性分析（圖6A左）。pkd2l1在二倍體硬骨魚(yú)中只有一個(gè)拷貝，在四倍體金線鲃中有兩個(gè)拷貝。
研究發(fā)現(xiàn)YHS的苦味基因（tas2r）發(fā)生了丟失（圖6A右）。此外，在YHS基因組中預(yù)測(cè)到40個(gè)嗅覺(jué)受體（OR）基因，包括25個(gè)功能基因和15個(gè)假基因，這與MHS的結(jié)果相似（圖6B），由此可見(jiàn)深海獅子魚(yú)的嗅覺(jué)受體基因比淺水硬骨魚(yú)[5]的要少。
這可能與深海獅子魚(yú)特殊的飲食習(xí)慣有關(guān)，味覺(jué)和嗅覺(jué)受體基因的數(shù)量減少可能有助于對(duì)食物匱乏現(xiàn)狀的適應(yīng)。另外，視紫紅質(zhì)基因變異導(dǎo)致YHS的感受光譜變窄（圖6C）以及褪黑素合成酶基因aanat存在提前終止密碼子，都暗示YHS的視覺(jué)系統(tǒng)可能在黑暗環(huán)境下出現(xiàn)一定程度的退化。
總結(jié)
總之，本研究首次完成了雅浦海溝獅子魚(yú)的基因組測(cè)序、組裝與注釋，并從物種進(jìn)化、DNA損傷修復(fù)、蛋白穩(wěn)定性以及感覺(jué)系統(tǒng)退化等方面綜合解析深海獅子魚(yú)對(duì)深海環(huán)境適應(yīng)的分子機(jī)制，為深淵生物學(xué)研究提供寶貴的遺傳資源。