结构变异与自然选择如何驱动安乐蜥表型进化——基因组学新视角

《Genome Biology and Evolution》：Structural rearrangements and selection promote phenotypic evolution in Anolis lizards

本研究针对适应辐射类群基因组特征如何促进表型多样化的科学问题，通过构建两种安乐蜥（Anolis auratus和A. frenatus）染色体级别参考基因组，开展比较基因组学分析。研究发现A. frenatus在1、2、3号支架存在重大结构重排，发育基因附近转座元件密度显著增高，并鉴定出与冷适应（lep、clps）、尾部伸长（ramp2、dcdc1）和体型增大（mtpn、pdzk1ip1）相关的正选择基因。该成果为理解适应辐射的基因组基础提供了重要证据，论文发表于《Genome Biology and Evolution》。

　　

在生物进化研究领域，适应辐射现象一直吸引着进化生物学家的浓厚兴趣。当生物群体遇到新的生态机会时，如何在相对较短的时间内快速分化出多种表型各异的物种？这一过程不仅受到生态因素的影响，基因组特性也可能在塑造物种多样性方面发挥关键作用。安乐蜥（Anolis）作为典型的适应辐射案例，约有400个物种分布在中南美洲热带地区，成为研究这一科学问题的理想模型。

安乐蜥展现出令人惊叹的表型多样性，从栖息在狭窄枝条上具有极长尾部的A. auratus，到体型庞大堪称蜥蜴界"巨人"的A. frenatus，再到能够耐受寒冷环境并成功殖民高纬度地区的A. carolinensis。这些独特的适应性特征背后，究竟隐藏着怎样的基因组秘密？是否存在特定的基因组机制促进了这一群体的快速分化？这些问题成为本研究关注的焦点。

为了深入探究安乐蜥基因组特征与表型多样化的关联，研究人员开展了系统的比较基因组学研究。他们首先完成了两种安乐蜥（A. auratus和A. frenatus）染色体级别的高质量参考基因组组装和注释，并将其与已发表的A. carolinensis、A. sagrei以及两种鬃狮蜥科外群（Urosaurus nigricaudus和Phrynosoma platyrhinos）的基因组进行比较。

研究团队采用多种关键技术方法：通过芝加哥和Hi-C染色质构象捕获技术进行基因组组装；利用MAKER流程结合转录组和蛋白质组证据进行基因注释；采用硅染色体涂染技术分析基因组共线性；通过dN/dS计算识别正选择基因；使用500kb窗口分析转座元件分布规律。样本来源包括巴拿马采集的模式标本和商业来源的补充样本。

染色体水平结构重排

研究人员通过硅染色体涂染技术评估了四种安乐蜥及其外群物种的共线性保守情况。结果显示，A. frenatus在1、2和3号支架上存在显著的结构重排，这些重排在其他物种中并未发现。Hi-C接触密度矩阵分析证实了这些重排的真实性，显示支架内部存在高强度相互作用，而支架间相互作用极弱。特别值得注意的是，这些染色体断裂点恰好位于发育基因的热点区域。在重排断点附近1Mbp范围内，研究人员发现了多个与发育相关的基因，如调节Wnt/β-连环蛋白和TGF-β通路的axin2基因、决定骨骼发育的bmp2基因、影响肌形成的ddit3基因以及参与骨形成和肌生成的twist2基因。这些发现表明，染色体结构重排可能通过改变邻近发育基因的调控模式，进而影响物种形态特征的演化。

安乐蜥和其他侧生齿类中关键发育基因周围的重复序列密度

转座元件作为基因组变异的重要来源，可能通过改变基因调控模式、引发突变或促进基因组重排来影响表型多样性。本研究发现在所有分析的物种中，关键发育基因（如notch4、fgf11以及hoxB、hoxC和hoxD基因簇）周围都存在高密度的重复序列。基因本体富集分析显示，位于高重复密度区域的基因显著富集在"发育过程"、"解剖结构发育"和"动物器官发育"等生物学过程。有趣的是，这种模式不仅存在于安乐蜥中，也出现在侧生齿类外群中，表明这可能是侧生齿类蜥蜴的一个共同特征。侧生齿类包含一些在物种数量和形态变异方面最多样化的脊椎动物属，重复元件在发育基因周围的积累可能为这些群体的形态创新提供了遗传变异来源。

可能受自然选择影响的基因和调控区域的差异

为识别可能受自然选择的基因，研究人员计算了四种安乐蜥物种间所有基因的非同义替换率与同义替换率之比（dN/dS）。结果显示，A. frenatus中有65个基因在至少两个比较中显示dN/dS>1，包括与肌肉生长相关的mtpn和调节TGF-β和BMP信号通路的pdzk1ip1。A. auratus中有12个基因显示正选择信号，包括调节血管生成和骨骼形成的ramp2以及与骨矿物质密度相关的dcdc1。A. carolinensis中鉴定出6个正选择基因，包括与脂质代谢和能量平衡相关的lep基因、参与脂质消化的clps和与固醇转运相关的stard6。这些基因可能共同构成了A. carolinensis冷适应性的分子基础。

除了编码序列的变化，研究人员还关注了调控区域的差异。通过分析转录起始位点上游1000bp的启动子区域，他们发现了一些在调控区域呈现高度分歧的基因。在A. carolinensis中，这些基因主要与脂质代谢相关；在A. frenatus中，则包括控制发育和细胞分化的wnt4、调节骨发育的traf4等基因。通过STRING数据库构建基因互作网络发现，一些dN/dS>1的基因与调控区域高度分歧的基因存在于同一功能网络中，表明不同层次的基因组变化可能共同影响表型进化。

与表型性状的关联

研究团队进一步分析了基因组变异与表型特征的潜在关联。气候生态位分析表明，A. carolinensis生活在最寒冷和温度季节性最强的环境中，这与该物种中发现的与脂质代谢、线粒体功能和循环系统相关的正选择基因和调控区域分歧相吻合。A. auratus以其极长的尾部而著称，形态学分析发现这种长尾主要是通过尾椎的伸长而非增加椎骨数量来实现的。值得注意的是，最长的尾椎位于第九尾椎之后，这一区域受尾部主要髋关节伸肌（m. caudofemoralis longus）的功能约束较小。A. auratus中受到正选择的ramp2和dcdc1基因可能参与了这一椎骨伸长过程。A. frenatus则以其大体型为特征，该物种中受到正选择的mtpn和pdzk1ip1基因，以及调控区域高度分歧的wnt4和traf4基因，都可能通过影响肌肉发育和骨骼生长途径来促进体型增大。

本研究通过对安乐蜥基因组的深入分析，揭示了多层次基因组变异可能共同促进了这一群体的表型多样性。染色体水平的结构重排可能直接产生生殖隔离，并影响发育相关基因的调控模式；关键发育基因周围高密度的转座元件可能为基因表达变异提供来源；而编码序列的自然选择和调控区域的分歧则可能共同塑造物种特有的适应性特征。

这些发现为了解适应辐射的基因组基础提供了重要见解，表明除了生态机会外，生物体的基因组架构本身也可能影响适应辐射的进程。特别值得注意的是，不同层次的基因组特征（从染色体结构到序列变异）可能相互作用，共同增强群体的进化潜力。然而，由于本研究仅涵盖了安乐蜥400多个物种中的4个，未来需要对更多物种进行高质量基因组分析，才能全面揭示驱动这一著名适应辐射的基因组机制。

研究结果强调，基因组特征与选择压力的相互作用可能促进了安乐蜥中特殊表型的演化，为进一步理解生物多样性形成机制提供了重要线索。该研究不仅丰富了我们对适应辐射遗传基础的认识，也为后续研究提供了宝贵的基因组资源和分析框架。