科研进展--中国科学院广州分院

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院与广州医科大学附属第一医院、广州国家实验室等单位合作在Cell Reports发表题为An unconventional VH1-2 antibody tolerates escape mutations and shows an antigenic hotspot on SARS-CoV-2 spike的研究论文。近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院（以下简称“广州健康院”）与广州医科大学附属第一医院、广州国家实验室等单位合作在Cell Reports发表题为An unconventional VH1-2 antibody tolerates escape mutations and shows an antigenic hotspot on SARS-CoV-2 spike的研究论文。面对自然感染和疫苗接种产生的免疫压力，新冠病毒持续进化和变异，逃逸了绝大部分早期筛选获得的中和抗体。其中，在人群中被广泛诱导的VH1-2基因编码抗体被认为在新冠病毒早期的抗体免疫中起到了关键作用，但由于新冠病毒刺突蛋白E484K/A的突变，大多数VH1-2类抗体被逃逸。在该研究中，研究人员从早期新冠病毒野生株感染者中筛选到一株由VH1-2基因编码的中和抗体D1F6。不同于其他已知的VH1-2抗体，D1F6不被携带E484A突变的Omicron变异株逃逸，对Omicron变异株的多种亚型仍保持高效中和活性。动物实验结果表明D1F6可以有效抑制Delta和Omicron BA.5、XBB.1.5、EG.5.1等变异株在小鼠体内的复制。研究团队利用冷冻电镜、抗体抗原相互作用和病毒中和实验对D1F6的中和机制及其耐受突变的分子机制进行了探究。研究结果显示，D1F6结合刺突蛋白不受其构象的影响，能够同时结合“向上”和“向下”的受体结合域（RBD），且抗体的结合可以阻断ACE2受体的结合，因此D1F6通过阻断病毒与受体的结合发挥中和作用。另外，研究发现，虽然D1F6结合RBD会受一些热点突变的影响，但是由于多重结合效应（avidity），D1F6仍能高效结合相应突变的刺突蛋白，从而耐受这些突变的影响。相比传统的VH1-2新冠病毒中和抗体，D1F6经历了抗体的亲和成熟过程，重链中存在大量体细胞超突变引入的氨基酸，这使其结合位置相较于经典的VH1-2类抗体有约30 Å的偏移，因此不易受E484K/A突变的影响。通过系列的表位突变研究，研究人员发现D1F6表位内的单点或双突变对其中和效果的影响很有限，需多个氨基酸（至少3个）同时突变才能影响D1F6的活性。研究最后对刺突蛋白进行了序列分析，发现D1F6结合表位及周围区域是新冠病毒刺突蛋白RBD中氨基酸突变的热点区域。研究人员提出，由于D1F6为代表的II类抗体结合刺突蛋白不受其构象的影响，且II类抗体能通过阻断病毒结合受体发挥中和作用，因此对新冠病毒具有较强的免疫压力。面对D1F6这种具有较强耐受突变能力的亲和成熟抗体，新冠病毒需不断积累突变进行免疫逃逸。综上，研究揭示了非典型VH1-2抗体D1F6抗体通过多重结合效应和亲和成熟作用耐受刺突蛋白突变的分子机制，并提示新冠病毒在免疫压力选择下会通过不断积累抗原突变来逃逸亲和成熟抗体。广州健康院熊晓犁研究员、广州国家实验室陈凌研究员、广州医科大学赵金存教授和牛学锋副研究员为本论文的共同通讯作者。广州健康院助理研究员刘邦慧、广州医科大学副研究员牛学锋、硕士研究生邓奕君和博士研究生张昭勇为本论文共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广州实验室应急攻关项目等的资助。论文链接图1 中和抗体D1F6的筛选、功能测定及结构分析

2024-06-19

广州健康院在正黏病毒科Thogoto病毒的RNA转录和复制机制研究上取得进展

近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院（以下简称“广州健康院”）、广州国家实验室等单位联合在在学术期刊Nature communications上发表题为“Cryo-EM structures of Thogoto virus polymerase reveal unique RNA transcription and replication mechanisms among orthomyxoviruses” (Thogoto病毒聚合酶的冷冻电镜结构揭示了正粘病毒中独特的RNA转录和复制机制)的研究论文。近日，中国科学院广州生物医药与健康研究院（以下简称“广州健康院”）、广州国家实验室等单位联合在学术期刊Nature communications上发表题为“Cryo-EM structures of Thogoto virus polymerase reveal unique RNA transcription and replication mechanisms among orthomyxoviruses” (Thogoto病毒聚合酶的冷冻电镜结构揭示了正粘病毒中独特的RNA转录和复制机制)的研究论文。RNA的转录和复制是RNA病毒生命周期中至关重要的步骤。然而，这些过程受到宿主细胞的严格监控。例如，天然免疫相关RNA受体RIG-I能够识别病毒产生的没有cap-1结构的RNA，从而诱导细胞进入抗病毒状态。流感病毒是一类重要的呼吸道病原，它们长期以来是正黏病毒家族重要的代表。流感病毒的RNA聚合酶具有帽子抢夺（cap-snatching）活性，通过其帽子结合域（cap- binding domain）和核酸内切酶结构域（endo-nuclease domain）活性掠夺宿主mRNA5'端具有帽子结构的10-14 核苷酸长的寡聚核苷酸片段，作为引物来启动病毒mRNA合成。这种机制使流感病毒mRNA与宿主mRNA难以区分，从而帮助流感病毒抑制诱导宿主的免疫反应。此外，最近的研究表明，宿主因子ANP32对流感病毒的RNA合成至关重要，决定了病毒的宿主范围和感染能力，ANP32与流感病毒聚合酶的不兼容构成了流感病毒跨种传播的主要障碍之一。Thogotovirus是正粘病毒家族中的一个重要的属。其成员以多种蜱虫为载体，有证据显示该属病毒能够较为高效地跨种感染多种哺乳动物。近年来多有Thogotovirus属病毒感染人类并导致死亡的报道。有研究表明，Thogotovirus属最早发现的成员 - Thogoto 病毒（Thogoto virus,THOV）转录的mRNA虽然具有帽子结构但缺少流感病毒中由帽子抢夺机制引入的10-14 核苷酸长的异源5'序列，这使得其RNA转录机制存在谜团。在该研究中，通过单颗粒冷冻电镜技术，研究人员捕获了THOV 聚合酶在RNA合成过程中的十个不同的构象。这些结构重现了THOV RNA聚合酶在RNA转录和复制过程中的结构细节与多样的构象变化。重要的是，这些结构显示THOV聚合酶可以分别以有帽和无帽的二核苷酸引物启动RNA转录和复制。结合THOV聚合酶的帽子结合和核酸内切酶结构域没有活性的现象，研究发现提示，THOV聚合酶的帽子抢夺机制可能是非工作的，THOV可能利用细胞产生的有帽二核苷酸作为引物启动mRNA的转录合成。这些发现与流感病毒聚合酶帽子抢夺机制依赖的mRNA转录机制形成了鲜明对比。正黏病毒聚合酶也需要合成无帽的RNA产物进行病毒RNA基因组的复制。宿主因子酸性核蛋白-ANP32已被证明在流感病毒的RNA复制过程中介导聚合酶形成一种非对称聚合酶二聚体，其中一个聚合酶用于合成产物RNA，而另一个聚合酶用于接收产物RNA。因此ANP32对流感的RNA复制过程至关重要。该研究却发现，THOV聚合酶仅进行产物RNA合成便能诱导聚合酶构象改变形成不对称二聚体，不需任何宿主因子的介导。这也与流感病毒聚合酶的RNA合成机制形成鲜明对比。通过系列生化和细胞实验，研究人员确认了，与流感病毒不同，THOV聚合酶的RNA合成在人细胞中对宿主因子ANP32A/B/E的依赖性很弱，可能是其能够较为高效地跨种感染多种哺乳动物的原因之一。本研究从结构、生化和细胞层面，展示了THOV聚合酶在RNA合成和宿主因子利用方面相对于流感病毒的独特性。其对宿主因子ANP32的弱依赖性一定程度地解释了Thogotovirus属较广的感染谱，推进了对流感病毒等正黏病毒跨种传播分子机制的理解。研究扩展了现有的主要从流感病毒研究中建立的正粘病毒RNA合成机制，有助于归纳这类重要病毒的RNA合成共性机制，为后续广谱抗病毒药物的开发提供信息。广州健康院熊晓犁研究员和广州国家实验室陈新文研究员为本文的共同通讯作者。广州健康院助理研究员薛璐博士和科研助理常添彩为论文的共同第一作者。研究获得广州健康院何俊研究员与鲍习琛研究员团队、中国科学院武汉病毒研究所龚鹏研究员团队、中国农业科学院哈尔滨兽医研究所王晓钧研究员团队等的鼎力合作与支持。该研究成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目的资助。论文链接图1 THOV 聚合酶在RNA合成过程中呈现不同的构象

2024-06-19

广州健康院合作开发基于氟磺酸的可富集化学交联剂

2024年6月18日，中国科学院广州生物医药与健康研究院唐士兵研究员与浙江大学杨兵研究员、北京航空航天大学刘超副教授团队合作，报道了一种新型氟磺酸类可富集化学交联的非天然氨基酸并在活细胞中研究蛋白质相互作用。2024年6月18日，中国科学院广州生物医药与健康研究院唐士兵研究员与浙江大学杨兵研究员、北京航空航天大学刘超副教授团队合作，报道了一种新型氟磺酸类可富集化学交联的非天然氨基酸并在活细胞中研究蛋白质相互作用。相关成果以“Characterize direct protein interactions with enrichable,cleavable and latent bioreactive unnatural amino acids”为题发表在学术期刊Nature Communications。蛋白质-蛋白质相互作用鉴定是蛋白质功能研究的重要步骤，在活细胞中原位鉴定相互作用蛋白对于生物医药研究具有重要意义。基于邻近触发反应（proximity-enabled reactivity）的化学交联非天然氨基酸可以捕获弱作用力和瞬时蛋白质相互作用，已被开发用于原位鉴定活细胞中的蛋白质相互作用。基于质谱的交联肽段解析能够提高互作蛋白鉴定的特异性、确定蛋白相互作用界面。然而，由于蛋白质样品和质谱数据解析过程的复杂性，对蛋白质化学交联后的交联产物进行高通量鉴定具有挑战性。在蛋白质样品进行质谱分析前，对交联肽段进行富集是提高鉴定效率的有效策略。在本研究中，研究人员开发了一种基于化学基团氟磺酸的化学交联非天然氨基酸，即可富集的氟磺酸-L-酪氨酸（enrichable fluorosulfate-L-tyrosine,eFSY）。利用密码子扩展技术可以在蛋白质中特定位置插入具有潜在生物反应性的非天然氨基酸eFSY，eFSY中氟磺酸通过基于邻近触发反应诱导的硫-氟交换 (SuFEx) 点击反应与相互作用蛋白中的酪氨酸、组氨酸或赖氨酸发生共价交联。eFSY携带的炔基基团可以通过铜催化叠氮化物-炔环加成(CuAAC)点击化学反应链接生物素，随后就能实现交联肽段的富集，从而提升鉴定交联肽段的效率。此外，该研究发现氟磺酸基团介导的交联产物在质谱中的混合性碎裂规律，其与组氨酸及赖氨酸交联产生的磺酸酰胺键会在质谱中发生断裂，与酪氨酸交联后形成的磺酸酰胺键却不会断裂。为更好地应用该规律，该研究进一步开发了交联鉴定软件AixUaa。AixUaa可同时兼容并区分碎裂与不可碎裂两种模式，实现了交联肽段及位点的精确匹配，提升了交联肽段的鉴定数量。应用此流程，研究人员分别在大肠杆菌及哺乳动物活细胞中系统性地鉴定了硫氧还蛋白 1 （Trx1）和硒蛋白 M （SELM）的直接相互作用蛋白组，验证了该方法的有效性。总的来说，本研究开发的基于氟磺酸基团的可富集化学交联非天然氨基酸eFSY及交联鉴定软件AixUaa显著提升了在活细胞中鉴定相互作用蛋白中化学交联肽段的效率，克服了以往化学交联剂在鉴定蛋白质相互作用蛋白组的一些不足，有望应用于更广泛的蛋白质相互作用研究。刘丹丹、丁文龙、程劲韬、韦秋实为本论文的共同第一作者，杨兵、唐士兵和刘超为共同通讯作者。该研究获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省自然科学基金和广州健康院自主部署基础研究项目等项目的资助。论文链接图1 新型含氟磺酸基团的可富集化学交联剂eFSY研究蛋白质相互作用时，鉴定交联肽段的流程图（a），交联肽段的碎裂规律（b）和交联鉴定软件AixUaa的开发流程（c）

2024-06-21

华南植物园“物种鉴定方法、系统、设备及存储介质”获发明专利

6月20日获悉，由中国科学院华南植物园徐洲锋等科研人员完成的“物种鉴定方法、系统、设备及存储介质”获国家发明专利授权。该发明技术方案要点是：将待鉴定物种的物种数据输入训练好的AI 物种识别模型得到至少一第一分类阶元，根据至少一第一分类阶元确定第二分类阶元，其中，第二分类阶元为比第一分类阶元高阶的分类阶元；根据待鉴定物种的发现位置数据从物种编目数据库中筛选出对应的目标物种编目区域，从目标物种编目区域对应的区域物种编目中筛选出所有隶属于第二分类阶元的物种，得到近似物种列表；将近似物种列表和第一分类阶元发送给用户，该发明具有将区域物种编目与AI物种识别模型的识别能力相融合，有效弥补当前AI 物种识别模型的识别结果随机性较大，用户难以准确鉴别种及其以下分类阶元的问题的效果。

2024-06-20

华南植物园“基于甘蔗组培苗的遗传转化方法”获发明专利

6月20日获悉，由中国科学院华南植物园曾璇等科研人员完成的“基于甘蔗组培苗的遗传转化方法”获国家发明专利授权。该发明公开了一种基于甘蔗组培苗的遗传转化方法，其包括以下步骤：在生根的甘蔗组培苗的基部注射携带有质粒的农杆菌侵染液后，再种植于土壤中。该发明的方法，操作更加简便，缩短了得到阳性植株的时间；且整个过程无需在无菌环境下进行，也避免了转化后容易组培污染等问题。

2024-06-20

Accounts of Materials Research | 编程设计细菌生物被膜发展工程活材料

文章讨论了基于细菌生物被膜的新兴工程活材料领域重要进展，并对该类材料的未来发展及挑战应对提出新的观点和思考。6月15日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所钟超团队在国际知名学术期刊Accounts of Materials Research上，在线发表了特邀综述文章“Programmable Bacterial Biofilms as Engineered Living Materials”，并入选Accounts of Materials Research杂志内页封面文章。文章上线截图文章讨论了基于细菌生物被膜的新兴工程活材料领域重要进展，并对该类材料的未来发展及挑战应对提出新的观点和思考。为适应动荡的生存环境，细菌等微生物通常会分泌基于蛋白纤维（如大肠杆菌curli纤维）或多糖（如醋酸杆菌的细菌纤维素）的胞外基质将其包裹，形成一种非游离状态的细菌-胞外基质聚合体，称为生物被膜。细菌生物被膜展现出的极高的稳定性、抗逆性以及组分功能的可编程性，在合成生物学与材料科学的交汇处，细菌生物被膜正被作为一种经济便捷的设计平台，创造能够重现自然材料“生命”动态属性的工程化活材料（ELMs）。目前开发的活性生物被膜材料在建筑、医疗、能源和环境等领域均展现出广阔应用前景（图1）。图1 配图入选Accounts of Materials Research杂志内页封面（画师：尹中川）在这篇文章中，作者们凝练了天然生物材料的6大活体动态特征：自生长、自组装、自修复、环境适应、自我重塑以及可进化。以这些特征作为自然仿生程度的评价标准，目前开发的生物被膜活材料可划分为三大类别：自组装活材料、环境响应型活材料，以及活体复合材料（图2）。自组装活材料主要利用细菌所分泌的可自组装的蛋白或多糖类胞外基质，通过基因改造其单体组分定制生物被膜的功能。比如将病毒粘附多肽C5与curli蛋白重组，编程设计的生物被膜具备了在水溶液中吸附并清除流感病毒的生物功能。环境响应型活材料是指在微生物遗传物质中引入人工设计的传感线路，从而赋予生物被膜材料动态响应外部环境变化的能力。例如编码可感知血液或硫代硫酸盐传感线路的益生菌活材料可应用于在肠道精准定位炎症病灶并主动发挥止血消炎作用。活体复合材料则是将基因改造的生物被膜与非活性或人工合成物质结合，融合生物被膜的活体特征和合成材料的优异特性。典型的应用包括杂合无机半导体颗粒的生物被膜用于光合固碳或产氢以及利用可生物矿化的工程生物被膜批量生产环保砖等可持续应用。图2 基于细菌生物被膜的三类工程活材料：①自组装活材料；②环境响应型活材料；③活体复合材料结构与功能从简单到复杂，自组装活材料、环境响应型活材料，以及活体复合材料三类材料的发展循序渐进、逐级过渡：自组装活材料是基础，其保留了生物被膜自生长、自组装和自修复的活体特征；进一步基因传感线路的整合，诞生的响应型活材料则具备感知与响应特定外部环境信号的能力；活体复合材料则是在前两类材料基础上，结合非活性功能成分，增强活材料的重塑性并拓宽材料的应用范围。文章详细介绍了这三类基于生物被膜的活材料，突出了它们各自的设计策略和重要应用。此外，针对基于生物被膜活材料的应用挑战，文章对如何进一步提升材料性能以及如何促使活材料实现现实世界应用提出新的见解。中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所钟超研究员与安柏霖副研究员为共同通讯作者，王艳怡副研究员及博士后张倩为共同第一作者。科研助理葛昌浩、刘雨竹，上海科技大学教授郑宜君、博士后蒋晓宇、硕士研究生陈邵杰，以及哈佛大学Wyss研究所博后唐子杰等对本文撰写也做出重要贡献。该工作获得了包括国家重点研发计划、国家杰出青年自然科学基金、国家自然科学基金联合项目、深圳市材料合成生物学重点实验室等项目的支持。

2024-06-19

Engineering | 器官生物打印在再生医学领域的最新进展

文章详细探讨了器官生物打印在再生医学领域的最新进展，并对该领域的未来发展及面临的挑战提出了新的见解和思考。近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所副研究员于寅团队在国际知名学术期刊中国工程院院刊《Engineering》上发表了特邀综述文章“Progress in Organ Bioprinting for Regenerative Medicine”。文章详细探讨了器官生物打印在再生医学领域的最新进展，并对该领域的未来发展及面临的挑战提出了新的见解和思考。 https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.04.023 器官损伤或衰竭由于受伤、疾病和衰老而常常发生，人体在大多数组织或器官中的再生能力有限。器官移植是面对器官衰竭或严重组织损伤的重要医疗手段，但却面临着供体短缺和免疫排斥风险等重大挑战。因此，创新的解决方案变得至关重要。在这种背景下，按需3D生物打印器官在组织工程和再生医学领域展现出巨大潜力。图1 3D打印实体器官示意图。器官生物打印是一种利用3D打印技术来制造生物组织和器官的创新方法。它通过将活细胞作为“墨水”进行打印，精确地将这些细胞组装成具有功能性的三维结构。这项技术被寄予厚望，认为可以有效解决器官移植中的供体短缺问题，同时避免移植排斥反应和长时间等待带来的困扰。文章详细介绍了器官生物打印技术的多方面进展，包括但不限于生物材料的发展、打印精度的提升以及功能性组织的成功构建。研究团队指出，生物打印在小型组织如皮肤、软骨、血管等的制造上已表现出良好的前景，这些成功案例为日后的复杂器官打印提供了宝贵的经验和数据支持。尽管取得了显著的进展，器官生物打印技术在应用中依然面临诸多挑战。首先是生物材料的选择和优化，如何找到既有良好生物相容性又能承受打印工艺的材料是目前的难点之一。其次，打印精度的进一步提高也是一个重要问题，特别是在构建复杂的微结构和血管网络方面。此外，如何确保打印出的组织和器官能够在体内正常发挥功能，仍需要大量的实验和测试。文章接着讨论了心脏、肝脏、肾脏和胰腺等实体器官生物打印的最新进展，强调了血管化和细胞整合的重要性。最后，文章对器官生物打印在临床转化和大规模生产方面面临的主要挑战进行了深入探讨，并提出了未来研究方向。文章进一步强调了多学科合作在这一领域中的关键作用。器官生物打印不仅仅是工程技术的突破，还涉及材料科学、生物学、医学等多个学科的密切协作。研究团队呼吁更多的科研机构和企业加入这一行列，共同推动技术朝着临床应用方向发展。展望未来，器官生物打印将在再生医学、个性化治疗以及药物筛选等多个领域展现出广阔的应用前景。例如，工程化的生物打印器官不仅可以精确模拟器官的解剖结构，还具备功能性，为各种研究提供了重要平台。文章提出了如何进一步提高材料性能和如何促使这些工程化器官在实际应用中实现广泛应用的新见解。这些新见解将有助于解决当前器官短缺和移植排斥等重大医疗挑战，推动再生医学领域的发展。图2. 生物打印的组织和器官的临床转化路径和伦理学考量。中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所副研究员于寅与副研究员陈飞，宾夕法尼亚州立大学教授Ibrahim T. Ozbolat为本文的共同通讯作者，研究助理王象以及张迪为共同第一作者，技术员赖嘉琪、邓国滔，宾夕法尼亚州立大学Yogendra Pratap Singh和Miji Yeo等对本文撰写也做出重要贡献。工作获得了包括国家自然科学基金面上项目、深圳市科技重大专项、深圳市材料合成生物学重点实验室等项目的支持。

2024-06-19

华南植物园“一种甘薯曲叶病毒侵染性克隆的构建方法及甘薯高效简易的侵染方法”获发明专利

6月17日获悉，由中国科学院华南植物园邓书林等科研人员完成的“一种甘薯曲叶病毒侵染性克隆的构建方法及甘薯高效简易的侵染方法”获国家发明专利授权。该发明公开了一种甘薯曲叶病毒侵染性克隆的构建方法及甘薯高效简易的侵染方法，是将1.01个重复的甘薯曲叶病毒基因组序列插入到双元载体中，得到甘薯曲叶病毒侵染性克隆。该发明提供了一种解决甘薯曲叶病毒接种天然宿主甘薯侵染率低的方法。通过发病症状的观察和PCR的检测，该发明成功将甘薯曲叶病毒的对不同品种甘薯接种率均提高到了100%。另外，该发明所提供的方法不仅高效，而且操作简易，可以实现大规模的接种及筛选，能为后续筛选抗性品种及甘薯曲叶病毒与甘薯相互作用的研究提供技术上的有力支持。

2024-06-17

华南植物园“生态格局分析可视化方法、系统、设备及介质”获发明专利

6月17日获悉，由中国科学院华南植物园徐洲锋等科研人员完成的“生态格局分析可视化方法、系统、设备及介质”获国家发明专利授权。该发明公开了一种生态格局分析可视化方法、系统、设备及介质，定义分析任务，根据分析任务选取参与分析的目标数据源和对应的预设的目标地理网格系统；根据分析任务、预设参数和目标数据源从目标地理网格系统中选取对应的目标地理网格单元，将分析任务分解为对应的分解任务，规划运算流程；从目标数据源中提取对应的运算数据，进行计算得到分析任务的分析结果；选取渲染地理网格层级及与其对应的渲染地理网格单元；根据分析结果对各个渲染地理网格单元进行可视化渲染输出；该方案能够将生态格局分析中不同分析任务的数据对齐，使得分析结果能够进行相互对比和进行分析数据集成。

2024-06-17

口孵鱼类亲代抚育行为的遗传调控机制取得新进展

近日，由中国科学院南海海洋研究所林强研究员团队和浙江海洋大学高天翔教授团队等合作完成的口孵鱼类亲代抚育行为遗传调控机制的最新结果以Article形式在线发表在The Innovation Life（《创新生命》）上。中国科学院南海海洋所研究员张艳红、副研究员王信为本文共同第一作者，研究员林强和教授高天翔为共同通讯作者。亲代抚育行为的演化代表了生物个体在适应环境方面的重大突破，其形成机制一直是行为学、进化生态学等领域关注的热点问题。口孵是硬骨鱼类亲代抚育的一种特殊形式，然而目前关于口孵鱼类亲代抚育行为的遗传调控机制研究甚少。图1 天竺鲷科鱼类实现口孵育儿行为的遗传基础本研究以典型口孵鱼类细条银口天竺鲷(Jaydia lineata)为研究对象，对其育儿行为的遗传基础进行了探究。首先组装了该物种染色体水平基因组，通过多物种的分子系统学研究，发现鱼类口孵行为最早可追溯到约2.5亿年前，而口孵的天竺鲷科鱼类的进化分歧时间约为9700万年前。同时发现鱼类繁殖模式多样化（雌性卵胎生、雄性育儿、卵生）主要集中于鱼类物种多样性爆发的白垩纪，揭示了鱼类繁殖性状与物种多样性的共同演化，以及口孵行为的多次独立进化(图2)。图2 亲代抚育鱼类的系统发育特征和繁殖策略大约四分之一的鱼类存在亲代抚育行为，口孵又是硬骨鱼亲代抚育的一种特殊形式，至少9科鱼类中存在口孵行为。本研究首先选择具有亲代抚育行为（雌性卵胎生、雄性卵胎生、雌性口孵和雄性口孵）的代表性硬骨鱼类，通过全基因组水平的趋同进化分析，发现多个基因如rab34,grm2等在亲代抚育物种谱系中具有显著的遗传趋同信号，这些基因在胚胎发育过程中发挥着重要作用。进一步聚焦于口孵鱼类，发现相对于普通卵生鱼类而言，口孵鱼类的编码基因普遍表现出较快的进化速率。神经递质催产素（Oxytocin，鱼类中直系同源基因命名为isotocin）被称为“爱的荷尔蒙”。全基因组趋同分析显示口孵鱼类催产素通路具有明显的适应性遗传突变，催产素信号通路相关基因在介导亲代抚育行为中发挥至关重要的作用，如CD38、IP3R等不仅存在氨基酸位点趋同变异，同时均受到显著正选择。神经肽类物质在调控动物社会行为，如亲母行为、亲代抚育行为中发挥重要作用。比较转录组分析显示，神经肽及其受体信号通路在天竺鲷雌雄个体间存在显著差异；与不具备口孵行为的弹涂鱼相比，雄性之间也存在明显差异。图3 口孵鱼类亲代抚育行为的遗传调控机制口孵育儿行为虽增加了后代的存活率，但代价却是将亲本置于饥饿、免疫功能改变的特殊生理状态。本研究通过比较基因组和转录组分析共同揭示了天竺鲷在投资后代和维持自身健康之间的微妙平衡，并且发现了天竺鲷的免疫性别二态性，强调了雄性亲本口孵行为对免疫相关基因表达的影响。此外，本研究还发现口腔黏膜不仅特异性表达一些免疫相关基因（如IL-17a,S100A9,chemokine28），且首次证实口腔黏膜有孵化酶基因（hce,hce1-like,hce2-like）表达，揭示了口腔黏膜在保障口腔中胚胎正常发育和免疫防护等方面的独特生物学功能（图4）。图4 细条银口天竺鲷口腔黏膜的独特生物学功能及其特异性免疫反应本研究通过揭示鱼类育儿行为的遗传基础，为我们深入了解鱼类进化过程和复杂行为驱动机制提供了宝贵的见解。理解基因变异如何影响行为演化不仅有助于加强了我们对自然界的认识，还对保护生物学等领域具有重要意义。该研究工作得到了国家自然科学基金杰青项目（延续）、国家自然科学基金重点项目、国家重点研发项目等联合资助。相关论文信息：Mouthbrooding behavior and sexual immune dimorphism in Indian perch Jaydia lineata. https://doi.org/10.59717/j.xinn-life.2024.100066

2024-06-15