水生所揭示多倍體魚類中多個重復的Foxl2部分同源基因和等位基因的功能歧化

近期，中國科學院院士、中科院水生生物研究所研究員桂建芳團隊在Molecular Biology and Evolution上，在線發(fā)表了題為Functional Divergence of Multiple Duplicated Foxl2 Homeologs and Alleles in A Recurrent Polyploid Fish的研究論文。

基因組多倍化為物種新基因和新性狀的形成提供了有利機會，是物種演化的主要驅動力之一。一般來說，多倍化的結果導致了生物的復雜性、可變性和多樣性，特別是增強了其短期的適應性潛能和長期的可演化性。新形成的多倍體在經歷“基因組休克（genomic shock）”的融合作用后，發(fā)生一系列復雜的、非孟德爾的基因組變化以解決不穩(wěn)定的問題，對基因組進行改組和重建，演化形成了多倍體或二倍化了的新物種。在異源多倍化過程中，源于兩個物種的重復基因演變?yōu)椴糠滞椿颍╤omeolog）；在同源多倍化過程中，重復基因演變成等位基因（allele）。盡管多倍體中重復基因的演化命運已進行了較多研究，但學界對具有復雜基因組的復發(fā)多倍體重復基因的功能歧化知之甚少。

擁有150多條染色體的六倍體銀鯽，在其演化歷程中已被揭示發(fā)生了兩輪多倍化事件——早期的異源四倍化和近期的同源三倍化。六倍體銀鯽獲得了單性雌核生殖能力，能夠產生全雌性子代。該團隊前期研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)orkhead box（Fox）蛋白家族的foxl2a和foxl2b在以接力的互作方式調控斑馬魚卵巢的發(fā)育和維持（Yang et al.,Genetics,2017,205:1551-1572.）的 基 礎 上，以foxl2為靶基因，試圖在六倍體銀鯽中追蹤其多個重復的部分同源基因及其等位基因的功能歧化和其對卵巢發(fā)育的調控機制。

研究發(fā)現(xiàn)，六倍體銀鯽具有3個歧化的foxl2部分同源基因（Cgfoxl2a-B、Cgfoxl2b-A和Cgfoxl2b-B），它們各自又具有3個序列高度一致的等位基因，而Cgfoxl2a-A在演化過程中已丟失。Cgfoxl2a-B、Cgfoxl2b-A和Cgfoxl2b-B均在生殖內分泌軸“下丘腦-垂體-性腺”呈兩性差異表達，且部分同源基因和等位基因均表現(xiàn)出偏向表達。CgFoxl2a和CgFoxl2b具有不同的細胞定位，除在卵巢顆粒細胞和鞘細胞中表達之外，CgFoxl2b還分布在原始生殖細胞和卵原細胞的核周。研究人員采用CRISPR/Cas9技術，分別或同時對多個foxl2部分同源基因或等位基因進行編輯以損毀其功能，發(fā)現(xiàn)CgFoxl2a-B的缺失會以劑量依賴的方式導致卵巢發(fā)育停滯或性反轉為雄性個體，且含有完整FKH結構域的Cgfoxl2a-B突變等位基因仍能激活Cgcyp19a1a-A的表達；完全敲除Cgfoxl2b-A和Cgfoxl2b-B將導致不產生配子，盡管突變體中Cgfoxl2a-B的表達上調，但不能挽救缺陷表型；同時敲除Cgfoxl2a-B、Cgfoxl2b-A和Cgfoxl2b-B，導致產生更嚴重的缺陷表型。

上述結果表明，Cgfoxl2a-B、Cgfoxl2b-A和Cgfoxl2b-B發(fā)生了亞功能化，協(xié)同調控銀鯽的濾泡發(fā)生和卵巢發(fā)育；Cgfoxl2b-A和Cgfoxl2b-B演化出新功能，調控配子發(fā)生。此外，研究人員還利用特異的CgFoxl2a和CgFoxl2b抗體，追蹤銀鯽顆粒細胞和鞘細胞的完整發(fā)育命運，鑒定出三類鞘細胞。該研究幾乎涵蓋了所有復雜的重復基因演化命運，包括部分同源基因或等位基因多樣化、保留或丟失、偏向表達、亞功能或新功能化。盡管此前已有對這些演化命運的理論假設和單個案例的報道，但該研究以一個基因為例，詳細闡述了幾乎所有的重復基因的演化機制。

該研究主要由水生所博士研究生甘瑞海等完成，桂建芳和水生所研究員周莉為論文的通訊作者。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、中科院前沿科學重點研究項目、國家大宗淡水魚產業(yè)技術體系等的支持。