Aplf/Dna2基因变异驱动染色体断裂并加速鼢鼠物种形成的分子机制研究

推荐：研究人员针对染色体断裂融合的分子机制及其在物种形成中的作用这一科学难题，以鼢鼠为模型开展研究。通过多组学分析和功能实验，发现Aplf基因剪接增强子突变导致外显子跳跃产生截短蛋白，与Dna2基因内含子缺失共同破坏DNA修复，驱动染色体断裂。新染色体因携带必需基因和强选择压力而固定，该断裂事件加剧了姐妹种间的生殖隔离。研究揭示了染色体断裂的遗传基础及其在物种形成中的动态作用，发表于《SCIENCE ADVANCES》。

　　

在生物进化过程中，染色体断裂和融合是常见的基因组重排现象，但其分子机制及其在物种形成中的作用仍知之甚少。鼢鼠（Myospalacinae）作为中国特有的地下啮齿动物，因其低氧洞穴环境对DNA修复的特殊需求，以及不同物种间显著的染色体数目变异（如Myospalax aspalax 2n=62与M. psilurus 2n=64），成为研究染色体进化与物种形成的理想模型。

研究团队通过构建染色体级别基因组、三维基因组分析和功能实验，首次在M. psilurus中发现一个由祖先染色体断裂形成的新染色体（MpChr32）。关键发现是：Aplf基因剪接增强子的单核苷酸突变（c.121C>T）破坏了SRSF2蛋白结合位点，导致外显子6跳跃和提前终止密码子（PTC），产生缺失PAR结合锌指结构域（PBZ）的截短蛋白；同时Dna2基因内含子缺失降低了其活性。这两个变异协同破坏了DNA损伤修复（通过非同源末端连接途径NHEJ），使位于160-171.5 Mb区域的祖先间质端粒序列（ITS）成为断裂热点，并促进功能性新端粒形成。

研究采用的主要技术包括：PacBio HiFi测序和Hi-C技术构建染色体级别基因组；ChIP-seq定位着丝粒；长读长测序鉴定结构变异（SV）；Iso-seq检测可变剪接；CRISPR-Cas9基因编辑验证Aplf功能；双荧光素酶报告系统评估SV对基因活性的影响；群体基因组分析（PSMC、?a?i）追溯种群历史。

【De novo genome assembly and annotation】

完成M. aspalax（3.02 Gb）和M. psilurus（3.31 Gb）染色体级别组装，BUSCO完整性达96.6-96.7%。M. psilurus端粒序列占比（6.52%）显著高于M. aspalax（1.87%）。

【Chromosome synteny analysis and identification of chromosomal fission】

共线性分析显示M. aspalax的1号染色体（MaChr1）对应M. psilurus的1号和32号染色体（MpChr1/32），祖先核型重建证实这是M. psilurus特有的断裂事件。

【Centric fission and ancestral ITS】

ChIP-seq确定断裂发生在着丝粒区域（169-171.5 Mb），该区域存在2.7 Mb的保守ITS，UBCS分析推算断裂发生于约112万年前。

【Aplf gene disruption, causal mechanism, and DNA repair deficiency】

RNA-seq发现M. psilurus中Aplf表达上调，Iso-seq和RT-PCR验证其存在外显子6跳跃的异常转录本（占比>50%）。minigene实验证实c.121C>T突变通过破坏外显子剪接增强子（ESE）导致剪接异常。CRISPR敲除Aplf的PBZ域后，γH2AX信号累积证实DNA修复功能受损。

【Genomic structural variation and neo-telomere formation】

长读长测序发现M. psilurus特有的Dna2（1129 bp）、Fan1（2459 bp）和Mcmdc2（731 bp）基因内含子缺失，双荧光素酶报告显示这些SV降低基因活性。

【Fixation of the chromosomal fission】

新形成的MpChr32携带Actb和Egln1等必需基因，选择信号分析显示该区域正选择位点密度（6.82/100 kb）显著高于其他染色体。

【Effects of fission on speciation】

虽然断裂点附近未检测到重组率降低，但断裂染色体整体基因流显著减少（0.086 vs 0.100），遗传分化（F_ST=0.529）增强。

【Demographic history contributing to population divergence】

PSMC和?a?i分析表明两物种约280万年前因地理隔离分化，后期二次接触时染色体断裂加剧了生殖隔离。

该研究首次阐明DNA修复基因变异通过破坏NHEJ途径驱动染色体断裂的分子机制，揭示断裂染色体因携带必需基因和选择优势而固定。尽管地理隔离启动物种分化，但染色体断裂通过降低基因流加速了 speciation 进程。这一发现为理解染色体进化与物种形成提供了新视角，对研究地下哺乳动物适应进化具有重要意义。研究采用的跨尺度分析方法（从基因编辑到群体遗传）为解析复杂进化机制提供了范式。