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蛇類處于脊椎動物演化歷程的關(guān)鍵節(jié)點，是脊椎動物中的重要類群。全球有約4000種，廣泛分布于除南極洲外的各大洲陸地和海洋。蛇類演化出了四肢缺失、身體延長、左右肺不對稱發(fā)育和紅外感應等特殊表型，揭示這些表型背后的遺傳機制對理解脊椎動物演化歷史具有重要意義。

2023年6月19日，中國科學院成都生物研究所李家堂團隊在Cell上發(fā)表了文章“Large-scale snake genome analyses provide insights into vertebrate development”。研究人員基于大規(guī)模多組學技術(shù)與基因編輯等研究手段，全面揭示了蛇類起源及特殊表型演化的遺傳機制。

蛇類特有性狀的演化遺傳機制

研究選取了全球極具代表性的不同支系的蛇類，結(jié)合多組學及基因編輯等多學科交叉研究手段，系統(tǒng)闡釋了蛇類的起源與特殊表型的演化機制。利用染色體水平蛇類基因組數(shù)據(jù)集，研究團隊構(gòu)建了蛇類系統(tǒng)發(fā)育框架，推斷蛇類起源于約1.18億年前早白堊紀。

蛇類系統(tǒng)發(fā)育基因組學框架

基于比較基因組學與基因編輯等多學科研究手段，科研人員發(fā)現(xiàn)蛇類PTCH1蛋白特異性缺失的三個氨基酸殘基可能是其四肢缺失的重要遺傳機制之一。大量編碼及非編碼調(diào)控元件的快速演化驅(qū)動了蛇類身體的延長。為適應身體延長，蛇類的內(nèi)臟器官呈現(xiàn)不對稱發(fā)育模式，如其左肺大多趨近于退化，而右肺則較為發(fā)達。研究發(fā)現(xiàn)，蛇類丟失了控制器官對稱發(fā)育的DNAH11和FXJ1B基因，導致其左、右肺的不對稱發(fā)育。

此外，科研人員還探討了紅外感應蛇類和穴居的盲蛇類物種特殊表型的演化遺傳機制，發(fā)現(xiàn)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(diào)控元件的趨同演化是部分蛇類能夠感知紅外光譜的重要遺傳驅(qū)動力。而盲蛇類物種則通過視覺感受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，并形成專食螞蟻及螞蟻卵的食性。

本研究率先啟動了蛇類大規(guī)模組學研究，解析了其特殊性狀的分子機制，對理解爬行動物的演化歷史具有重要意義，并將推動脊椎動物演化生物學等相關(guān)學科的發(fā)展。

李家堂團隊未來將聚焦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(fā)提供科學支撐。研究團隊將推動從基礎(chǔ)科學到應用基礎(chǔ)科學的發(fā)展，更好的服務國家重大戰(zhàn)略需求。

中國科學院成都生物研究所博士生彭長軍、助理研究員任金龍和昆明動物研究所吳東東研究員研為該論文共同第一作者，成都生物所李家堂研究員為該論文的獨立通訊作者。