近日，華大海洋與福建農(nóng)林大學(xué)合作，在國際學(xué)術(shù)期刊PLoS Genetics上發(fā)表了高質(zhì)量的雅浦海溝獅子魚基因組論文。
該論文通過多組學(xué)測序與分析，詳細(xì)闡明了該魚適應(yīng)高水壓、低溫和弱光深海環(huán)境的分子機制[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)海洋研究院院長陳新華教授和華大海洋研究院院長石瓊教授為論文的共同通訊作者。
本論文主要研究內(nèi)容及突破成果
深淵環(huán)境（深度在6000米以下）的特點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。魚類是生活在這種深海地帶的脊椎動物，在至少五個地理上相互分開的海域中都發(fā)現(xiàn)了深海獅子魚的活動蹤跡。本文研究的深海獅子魚捕獲自約7000米深的雅浦海溝。
人們對脊椎動物在這種極端環(huán)境下生存的適應(yīng)性分子機制知之甚少。本研究構(gòu)建了高質(zhì)量的雅浦海溝獅子魚（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)生了擴張現(xiàn)象，從而也說明在高水壓條件下維持DNA的完整性是很困難的。
5個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）來改善在深海壓力中蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。
此外， YHS感覺基因退化的特點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)境的分子機制提供了新的見解和極有價值的基因組資源，這將有助于進一步解析魚類的深海適應(yīng)性進化。
深海獅子魚的形態(tài)特征與基因組組裝結(jié)果
中國7000米級深海載人潛器“蛟龍”號在雅浦海溝6903米深的地方（圖2A），捕獲了兩條深海獅子魚（圖2B）。它們的身體呈粉紅色至白色，通過透明的皮膚和腹膜能看見較大的胃和肝臟；它們的眼睛明顯比眼眶小，幾乎進入頭部的背側(cè)。這些特征與其它深海獅子魚[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，證實雅浦海溝獅子魚與馬里亞納海溝獅子魚[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暫時命名為雅浦海溝獅子魚。
YHS組裝基因組大小為731.75 Mb，包括1,271個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)測出24,329個蛋白編碼基因，與其它二倍體硬骨魚類基因組的基因數(shù)量相似；其中24,265個蛋白編碼基因得到功能注釋。
基因家族與物種進化
用22個代表性脊椎動物的基因組序列進行進化分析時，共預(yù)測到25,787個基因家族和259個共享單拷貝基因家族；YHS基因組其中144個基因家族。YHS、馬里亞納海溝獅子魚（MHS）、塔納卡（Tanaka）獅子魚和斑馬魚有高度的基因家族重疊（共9,947個；圖2D）。
在構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹中，相比塔納卡獅子魚分支，YHS和MHS是親緣關(guān)系更密切的姊妹種；大約在92萬年前，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)測出24,329個蛋白編碼基因，與其它二倍體硬骨魚類基因組的基因數(shù)量相似；其中24,265個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個特異新基因（圖4A），包括rad52、rad9a、ercc1、exo1、pms1和polk。
對于DNA修復(fù)蛋白RAD52，與其它物種的保守位點相比，兩種深海獅子魚（YHS和馬里亞納海溝獅子魚）有著共同的兩個高可信度氨基酸置換位點：68位甲硫氨酸對亮氨酸的取代和167位賴氨酸對甲硫氨酸的取代（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Pfam結(jié)構(gòu)域分析顯示，YHS基因組包含8個RAD51副鏈基因，rad51和xrcc2基因的拷貝數(shù)多于其它硬骨魚類（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，常見于海洋魚類的肌肉組織中。該化合物可以緩解水壓對蛋白質(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含量遠高于大黃魚和斑馬魚（圖5A）。與馬里亞納海溝獅子魚類似，在YHS基因組中發(fā)現(xiàn)有5個拷貝的TMAO生成基因（fmo3），其中4個是串聯(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，雅浦海溝獅子魚中豐富的TMA以及擴張（五個拷貝）的fmo3基因有助于維持TMAO的高水平表達，進而提升蛋白質(zhì)在深海環(huán)境下的穩(wěn)定性（圖5E）。
感覺系統(tǒng)
在YHS和馬里亞納獅子魚（MHS）基因組中對兩個拷貝的酸味受體基因（pkd2l1）進行了共線性分析（圖6A左）。pkd2l1在二倍體硬骨魚中只有一個拷貝，在四倍體金線鲃中有兩個拷貝。
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)測到40個嗅覺受體（OR）基因，包括25個功能基因和15個假基因，這與MHS的結(jié)果相似（圖6B），由此可見深海獅子魚的嗅覺受體基因比淺水硬骨魚[5]的要少。
這可能與深海獅子魚特殊的飲食習(xí)慣有關(guān)，味覺和嗅覺受體基因的數(shù)量減少可能有助于對食物匱乏現(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的基因組測序、組裝與注釋，并從物種進化、DNA損傷修復(fù)、蛋白穩(wěn)定性以及感覺系統(tǒng)退化等方面綜合解析深海獅子魚對深海環(huán)境適應(yīng)的分子機制，為深淵生物學(xué)研究提供寶貴的遺傳資源。