目前，蛇類(lèi)已成功入侵了除南極以外的所有大陸和海洋，現存種類(lèi)約 4000 種，分屬 30 多個(gè)科。它們是高效的捕食者，在維持生態(tài)平衡方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。自從與穴居的祖先分道揚鑣以來(lái)，蛇類(lèi)經(jīng)歷了各種各樣的進(jìn)化變化，比如身體形態(tài)的改變（包括身體變長(cháng)和肺部不對稱(chēng)）、四肢退化、化學(xué)感知和熱感知的變化，以及與大多數其他有鱗目動(dòng)物（例如蜥蜴和蠕蟲(chóng)蜥）不同的進(jìn)食行為。
有些蛇類(lèi)進(jìn)化出了獨特的生活方式和形態(tài)創(chuàng )新。例如，盲蛇過(guò)著(zhù)穴居生活，且飲食特殊，而紅外線(xiàn)敏感的蟒蛇、蚺蛇和蝰蛇則進(jìn)化出了特殊的頰窩器官或感受器，以增強其熱感應能力。這些獨特的適應性特征使蛇類(lèi)成為發(fā)育生物學(xué)研究以及復雜性狀進(jìn)化研究的絕 佳模型系統。
盡管蛇類(lèi)具有獨特的生物學(xué)特征和生態(tài)學(xué)意義，但我們對蛇類(lèi)的了解（包括它們多樣的表型和自然史）仍然十分有限。此外，由于高質(zhì)量蛇類(lèi)基因組的數量有限以及涵蓋的種類(lèi)有限，蛇類(lèi)的特定性狀的遺傳機制尚未得到闡明。
2023 年 6 月，中國科學(xué)院成都生物研究所李家堂團隊在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Cell 上發(fā)表了題為：Large-scale snake genome analyses provide insights into vertebrate development（大規模蛇類(lèi)基因組分析為脊椎動(dòng)物發(fā)育提供見(jiàn)解）的研究論文。
該研究基于大規模多組學(xué)技術(shù)與基因編輯技術(shù)等研究手段，全面揭示了蛇類(lèi)起源及特殊表型演化的遺傳機制。
蛇類(lèi)是蜥蜴目中一個(gè)非凡分支，具有獨特的形態(tài)適應性，尤其是那些與脊椎動(dòng)物骨骼、器官和感覺(jué)系統進(jìn)化相關(guān)的適應性。
為了增進(jìn)對蛇類(lèi)進(jìn)化歷程的理解，研究團隊選擇了從頭組裝了 12 個(gè)科的 14 種蛇類(lèi)的基因組；鑒于這 12 個(gè)科包含了大約 84%的蛇類(lèi)物種，該研究所獲得的基因組集合是蛇類(lèi)生命之樹(shù)的一個(gè)極具代表性的樣本。
利用染色體水平蛇類(lèi)基因組數據集，研究團隊構建了蛇類(lèi)系統發(fā)育框架，推斷蛇類(lèi)起源于約 1.18 億年前的早白堊紀。
該研究還利用了之前發(fā)表的基因組（11 種蛇、6 種蜥蜴、1 種龜、1 種鱷魚(yú)和 1 種鳥(niǎo)），以及研究團隊新測序的轉錄組（來(lái)自 9 種蛇、1 種蜥蜴和小鼠的 194 個(gè)樣本）數據，來(lái)闡明這些分類(lèi)群的基因組進(jìn)化。除了闡明蜥蜴類(lèi)譜系的起源和演化以及蛇類(lèi)物種獨特的形態(tài)適應性之外，這項研究結果還加深了我們對脊椎動(dòng)物發(fā)育生物學(xué)的理解。
該研究通過(guò)大規模多組學(xué)技術(shù)以及功能實(shí)驗，研究了蛇類(lèi)的形態(tài)特征的遺傳基礎。該研究確定了一些基因、調控元件和結構變異，它們可能對蛇類(lèi)肢體退化、身體延長(cháng)、肺部不對稱(chēng)、感覺(jué)系統以及消化系統適應性進(jìn)化發(fā)揮作用。該研究還確定了一些可能影響盲蛇視覺(jué)、骨骼系統和飲食以及紅外感應蛇類(lèi)的熱感應進(jìn)化的基因和調控元件。
具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)比較基因組學(xué)及基因編輯技術(shù)，研究團隊發(fā)現，蛇類(lèi) PTCH1 蛋白特異性缺失的三個(gè)氨基酸殘基，可能是其四肢缺失的重要遺傳機制之一，表明了編碼基因的突變和結構變異也可能是導致蛇類(lèi)肢體缺失的原因。
此外，大量編碼及非編碼調控元件的快速演化驅動(dòng)了蛇類(lèi)的身體延長(cháng)。為適應身體延長(cháng)，蛇類(lèi)的內臟器官呈現不對稱(chēng)發(fā)育模式，例如，其左肺大多趨近于退化，而右肺則較為發(fā)達。該研究發(fā)現，蛇類(lèi)丟失了控制器官對稱(chēng)發(fā)育的 DNAH11 和 FXJ1B 基因，導致其左、右肺的不對稱(chēng)發(fā)育。
研究團隊還探討了紅外感應蛇類(lèi)和穴居的盲蛇類(lèi)物種特殊表型的演化遺傳機制，發(fā)現與熱響應相關(guān)的 PMP22 基因和與三叉神經(jīng)發(fā)育相關(guān)的 NFIB 基因的非編碼調控元件的趨同演化是部分蛇類(lèi)能夠感知紅外光譜的重要遺傳驅動(dòng)力。而盲蛇類(lèi)物種則通過(guò)視覺(jué)感受 RPGRIP1 基因的丟失及幾丁質(zhì)酶 CHIA 的快速演化以適應穴居生活，并形成專(zhuān)食螞蟻及螞蟻卵的獨特食性。
該研究的核心發(fā)現和突破之處：
總的來(lái)說(shuō)，這項研究率先啟動(dòng)了蛇類(lèi)大規模組學(xué)研究，全面揭示了蛇類(lèi)起源及特殊表型演化的遺傳機制，對于理解爬行動(dòng)物的演化歷史具有重要意義，并有助于推動(dòng)脊椎動(dòng)物演化生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00582-2
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