基因告訴你畫蛇“添足”不是沒道理

　　成語畫蛇添足，常用于形容做事多此一舉，因為蛇并無腳。

　　但爬行動物領域的研究學者認為，蛇的祖先是蜥蜴，在遠古時期，蛇也是有腳的，只是在演化過程中失去了。近日，這一說法得到了進一步證實。

　　經過長達五年的研究，基于大規模多組學技術與基因編輯等研究手段，中國科學院成都生物研究所（以下簡稱成都生物所）研究員李家堂及其團隊全面揭示了蛇類起源及特有表型演化的遺傳機制。相關論文于6月19日晚在《細胞》正式上線，后續將于7月6日作為封面文章發表。

　　此次研究中，李家堂團隊畫了一張“家譜”，即基于染色體水平蛇類基因組數據集構建了迄今最有力的蛇類系統發育框架，進一步支持了蛇類起源于約1.18億年前早白堊紀，以及蛇類是由蜥蜴演化而來的假說。

　　“迄今最有力”，意為研究的物種覆蓋更廣，收集的數據更多，基因測序更全也更可信。

　　同時，他們找到了一些“罪魁禍首”，即影響或導致蛇四肢缺失、身體延長、器官不對稱的基因或調控元件，揭示了背后重要的遺傳機制。

　　樣本選取 以“最少”覆蓋“更多”

　　在地球上，生活著四千多種各式各樣的蛇。這些蛇何時“出世”的，親緣關系如何，祖先是誰？爬行動物領域內的專家一直在試著畫出這樣的蛇族“族譜”，即系統發育樹狀圖。

　　“基于基因組學，之前有研究者就蛇類某個單一的屬或者科，做了系統發育框架。”但李家堂想要畫一張覆蓋更廣，更具全球視角的“圖”。2015年，他開始謀劃，并于2018年正式啟動。

　　考慮到全球有四千多種蛇，共35個科，為提高研究效率和可操作性，樣本選取很重要。而且每個科下所屬的數量并不均衡，有些科內只有少量物種，有的科則涵蓋了八百多個物種。

　　“我們要以‘最少’的樣本覆蓋‘更多’的科，選取的物種樣本不在于多，能剛好代表和盡量覆蓋所有科的特征就行，有普適的意義。”論文一作、成都生物所助理研究員任金龍表示，相較于其他科的物種，同一個科內的物種之間，會有更近的親緣關系，也更相似。

　　物種分類有“綱目科屬種”，為何以“科”為單位進行樣本選取？任金龍表示，這樣操作會更“現實”。“例如以‘屬’為單位，蛇類有700多個屬，類群太多。”

　　最終，研究團隊選取了12個不同科的蛇進行基因組測序，采集的樣本量，能夠覆蓋代表84%現生蛇類類群的科級階元。基因組測序對樣本要求高，為了獲取新鮮的樣本，研究期間團隊每年都會花上2到3個月，外出科考，足跡遍布華南、華北和西南。有的行至高原，找到了溫泉蛇一屬三種，有的步入新疆沙漠，帶回了東方沙蟒的珍貴樣本。

　　要是涉及到國外類群，團隊就通過國際合作渠道，獲取相關樣本進行測序，或者直接共享數據。

　　選擇哪一部分身體組織進行基因提取也有講究。“蛇的體型比較小，組織不太容易保存，而且有的組織提取出的DNA質量會差。”論文一作、成都生物所博士生彭長軍介紹，從蛇的肝臟、肌肉這樣的組織里提取，效果會更好。

　　值得一提的是，數據采集期間，除了選取蛇類近緣的內群樣本，團隊也收集了可能會有近緣關系的“外群”物種樣本，例如科莫多巨蜥、揚子鱷等，看是否能通過基因組學手段印證猜想。

　　畫張“家譜” 推測蛇類起源于1.18億年前早白堊紀

　　樣本采集好后，通過多種高通量測序技術，團隊從頭組裝了代表了12個不同蛇科的14個高質量參考基因組，其中有12個為染色體水平，說明這次研究數據精細到染色體的層面。

　　“而且我們測定的是全基因組數據，獲取了更多的遺傳信息，來印證和支持我們的假說。以前類似的研究都只是測定一個物種的幾個基因片段，支持率并不高。”李家堂透露，其他研究團隊基于一個基因片段得到的數據量大概只有一兩千個bp，而這次研究中，基于全基因組比對獲取了接近51 Mb的數據用于構建基因組級別的系統發育樹。

　　基于對數據的研究，團隊構建了一個蛇類“家譜”樹狀圖。其描述了不同物種或者類群的親緣或進化關系，以及大致出現順序。其中，追溯到同一分支點的路徑越短，說明類群或物種間的親緣關系越近。

　　要想確定物種出現的大致時間，一般會用到化石校正點的方法。

　　“例如我們要推測游蛇科出現的時間，我們先要找到迄今為止發現最早的游蛇類化石，至于化石的年代可用碳14斷代法測定。”任金龍表示，類群出現的時間絕不會晚于化石形成的時間。“所以我們以此作推斷，并對之前構建的系統發生樹時間節點進行校正。”

　　校正完成后，蛇類系統發育框架基本搭建。其橫向標明的是時間，縱向是系統發生樹。通過這個系統框架可見，蛇類起源于1.18億年前早白堊紀，與最近緣的類群，即科摩多巨蜥與帝王蛇蜥的最近共同祖先是姐妹枝，提示了蛇類的祖先可能是某種蜥蜴。

　　蛇類最先分化出的類群為盲蛇（盲蛇科和細盲蛇科），而且在白堊紀-早第三紀分界點（距今6500萬年前），樹狀圖顯示分化的點多且分支變密集了。“當時正值恐龍大滅絕，提供了大量的生態位，讓蛇類有了快速輻射式的增長。”任金龍指出。

　　基因手段 揭示特殊表型的演化機制

　　因為環境的變化，蛇的祖先開始了穴居生活。為了更好適應，阻礙行動的四肢被“淘汰”。在后續的演化中，因視力所限，部分蛇發展出了其他定位“獵物”的本領，例如感知紅外線。有的蛇，為了活命，還要“習慣”吃螞蟻或者螞蟻卵。

　　慢慢地，蛇的分布越來越廣，除了南極洲以外的陸地、海洋、森林、高原和荒漠，都有它的蹤跡。“我們想從基因的角度，去解讀他們是如何適應這些復雜環境的。”李家堂表示。

　　根據比較基因組學原理，脊椎動物中，蛇類和其他類別動物有很多發揮相同功能的“同源”基因，但是存在細微差別。而這種差別可能體現在DNA層面的堿基序列或者氨基酸序列的不同或改變，從而導致了不同類群在同一性狀上的區別。

　　但任金龍指出，一個性狀可能由極多的基因決定，而且性狀的改變是由不同通路調節下的復雜途徑所實現的。“所以有時還要結合其他遺傳信息進行判斷。”

　　他舉例，此次研究中，經過對比發現，蛇的PTCH1基因有可能影響四肢發育。“這個基因在人類、蛇類、小鼠中都有，但是發揮的‘效用’不大相同，其中蛇類的PTCH1基因蛋白特異性缺失了三個氨基酸殘基。”

　　為了印證猜想，就要進行功能實驗。團隊利用基因編輯小鼠，讓蛇類PTCH1基因序列中的“缺陷”在小鼠中實現，發現小鼠的四肢，尤其是指骨方面有明顯的縮短。基于此可以判斷，蛇類PTCH1氨基酸中片段的缺失很可能影響四肢發育。

　　同樣按照上述研究方法，團隊發現，四肢丟失后，蛇類的體節數增加，且身體被拉長，正是因為控制脊椎前端發育和后端發育的重要基因受到強烈正選擇。

　　此外，研究團隊發現蛇類丟失了控制器官對稱發育的DNAH11和FXJ1B基因。“可能就是導致其左右肺不對稱，只有一側右肺的原因，因為要去適應身體的延長。”李家堂表示。

　　蛇有得天獨厚的感熱器官“頰窩”，里面有一厚約10 μm、布滿神經末梢的薄膜，對紅外光特別敏感，能測出小至0.002℃的溫度變化，幫助蛇判別獵物的位置。圍繞這一特性，研究探討了紅外感應蛇類演化遺傳機制，發現了與熱響應相關的PMP22基因，以及與三叉神經發育相關的NFIB基因的非編碼調控元件在部分蛇類中趨同演化，成為這類蛇感知紅外光譜的重要遺傳驅動力。

　　未來方向 為抗蛇毒衍生藥物的研發提供支撐

　　回溯這五年的研究歷程，論文通訊作者李家堂坦言，這項科研工作不在于難，而在于“堅持”，“我們有扎實的蛇類研究基礎，并受益于前輩積累的豐富資料，利用多學科交叉研究手段，從更廣泛、多維度的視角，對蛇類的起源和系統發育，特殊性狀的遺傳機制進行研究。”

　　他指出，蛇處于脊椎動物演化的關鍵節點，因具有高度特化的重要表型如四肢缺失、脊柱延長等，被視為脊椎動物演化史上一獨特的類群，是研究動物復雜性狀形成機制的理想物種。

　　此次研究率先開展了爬行動物大規模組學研究，研究結果可加深對蛇類的起源及其復雜性狀形成機制的理解，推動了爬行動物乃至脊椎動物演化發育生物學的發展。

　　從醫學角度來講，研究揭示的遺傳信息將為動物遺傳育種及人類復雜疾病的研究提供重要啟示。例如可以通過深入研究揭示影響蛇肺不對稱的遺傳機制，從而幫助解析人類相關疾病的成因，以探索治療辦法。

　　此外，研究蛇類紅外感應這一特性，還有助于開發設計仿生蛇類紅外探測原理的產品，運用于實際生活。

　　采訪中，李家堂透露，團隊將推動從基礎科學到應用基礎科學的發展，更好地服務國家重大戰略需求。“聚焦開發玉米蛇為模式動物，并開展演化發育生物學研究。同時，根據這次研究的思路和方法，開展蛇毒等重要遺傳資源的挖掘和運用，為抗蛇毒血清及蛇毒衍生藥物的研發提供科學支撐。”