昆明动物所在灵长类进化遗传领域取得重大突破
时间 : 2023-06-02     

中国科学院昆明动物研究所牵头发起的灵长类基因组计划目前取得阶段性重大突破,6月2日,该计划以专刊形式在线发表8篇Science论文,其中昆明动物所主导或参与发表6篇Science和2篇Science Advances。该专刊涵盖了灵长类研究的多个热点领域,厘清了灵长类动物的系统发育关系;揭示了灵长类动物的基因组多样性特征和演化历史;解析了灵长类动物大脑、体型、骨骼、感官、食性等复杂性状演化的遗传基础;发现了寒冷促进亚洲叶猴复杂社会系统演化的遗传机制;首次发现灵长类动物杂交成种事件;构建了人类疾病基因在非人灵长类基因组中的变异图谱,并推测人类疾病基因突变的潜在功能等。这些发现,对灵长类动物多样性保护,遗传资源的开发和利用具有重要指导意义,也为人类特殊性状的起源、发育以及疾病医学研究提供了重要遗传学材料和候选分子靶标。 

灵长类基因组计划的牵头科学家,中国科学院昆明动物研究所吴东东研究员介绍,这次研究历时五年时间,非人灵长类作为人类近亲,是研究人类复杂性状起源与进化的关键类群,但目前灵长类动物遗传信息解析进展缓慢。为了填补灵长类遗传资源和进化生物学机制方面的不足,中国科学院昆明动物研究所于2018年,联合国内外多家科研单位发起“灵长类基因组计划”。依托模式动物表型和遗传研究国家重大科技基础设施,围绕灵长类大尺度比较基因组学和复杂性状演化、基因组多样性、社会系统复杂性、物种形成、疾病变异位点的演化等重大科学问题,开展系列原创性研究。

 

 
  Science 和 Nature 杂志同时对研究成果做了新闻报道 
  1.https://www.science.org/content/article/hundreds-new-primate-genomes-offer-window-human-health-and-our-past 

  
  2.https://www.nature.com/articles/d41586-023-01776-6 

  

 

一、大尺度系统基因组学研究揭示灵长类基因组演化历史和表型进化遗传机制(该研究为本期Science专刊旗舰论文) 

灵长目是哺乳动物中种类最丰富的类群之一,包括16科82属520余种,目前依然有新物种不断被发现。灵长类动物由于其独特的系统发育位置,以及形态、行为和生理功能的多样性,成为研究人类起源和演化、复杂性状创新和重塑、疾病发生机理的天然动物模型。解析和重构灵长类祖先到现代人类进化过程中的基因组变异图谱,是理解人类进化不可或缺的环节,也是领域研究的热点。然而,到目前为止,覆盖绝大多数灵长类动物支系的高质量参考基因组的比较基因组学研究仍然存在相当大的缺口,尤其是位于灵长类系统发育树基部的类群,例如阔鼻类(Platyrrhini)、跗猴下目(Tarsiiformes)和原猴亚目(Strepsirrhini),缺乏系统性的比较研究。同时,由于人类活动的影响,灵长类物种丰富度和群体数量正遭受前所未有的严峻挑战。为了填补这一缺口和开展灵长类动物多样性保护研究,研究团队利用全新的三代长读长基因组测序技术Pacbio/Nanopore,产生大量高质量灵长类参考基因组,对现存灵长类物种开展系统性地基因组研究分析,揭示了灵长类动物基因组演化历史和适应性性状演化的遗传基础。这些灵长类遗传资源不仅有助于灵长类动物本身的保护和开发利用,也对人类表型和疾病研究具有极大的参考价值。

  

研究团队构建了精细的现生灵长类全基因组水平系统发育树,推演出灵长类最近共同祖先出现在距今约64.95-68.29百万年前,该区间与白垩纪-第三纪生物大灭绝事件(K/T boundary)吻合,提示灵长类早期辐射可能受白垩纪-第三纪生物大灭绝事件的影响。研究团队重构了从灵长类共同祖先到现代人类基因组的染色体结构,发现灵长类祖先和现代人类具有保守的核型特征。但在类人猿下目祖先8号染色体发现一个新的染色体融合事件,这可能对高等灵长类的创新演化具有重要意义。同时,研究团队还发现,不同灵长类祖先有不同水平的基因组重排率,在类人猿下目祖先支系发现基因组元件(例如,正选择基因、加速演化的基因组非编码序列、扩张的基因家族)变异水平在数量上整体抬升,基因的功能富集和组织特异性表达分析发现它们主要涉及大脑功能和器官大小的调控,推测这些基因组创新事件与类人猿下目特殊表型的适应性演化有关,例如脑容量、体型等。另外,研究团队通过对不同灵长类演化支系的系统生物学比较,发现数以千计的支系特异性基因组变异,这些基因组变异与灵长类不同支系的特殊功能和表型演化有关,例如灵长类动物大脑、体型、骨骼、感官、食性等复杂性状的演化等。 

此外,研究团队基于基因组数据推演了灵长类动物群体历史,发现大多数灵长类动物群体数量在晚更新世发生快速锐减,暗示长时程的气候变迁对灵长类动物群体结构产生重要影响.也发现某些灵长类物种在过去的3个百万年期间群体大小持续下降,这些物种中高比率是濒危种,提示该集合中那些非濒危物种可能也是将来急需保护的对象。 

以上研究以Phylogenomic analyses provide insights into primate evolution为题,作为旗舰论文在线发表于《科学》,中国科学院昆明动物研究所研究员吴东东、浙江大学教授张国捷和西北大学教授齐晓光为该文章的共同通讯作者。 

   
  大尺度灵长类高精度基因组数据集的构建和比较基因组学解析 

二、多学科交叉揭示亚洲叶猴社会复杂性的遗传机制 

灵长类的进化,经历了6500多万年的历史。从独居的夜行性祖先,到今天高度发达的人类社会,交流与合作,群居与社会化,促进了灵长类大脑的发育及认知能力的提高,并演化出了包括重层社会在内的、多样化的社会系统。传统的社会生态模型将这种多样性解释为对环境变化的响应。然而,随着研究的深入,传统的社会生态模型遇到了很大的瓶颈,比如其很难解释为什么生活在同一环境中的同域物种却表现出不同的社会系统结构。尽管最新的研究发现——灵长类动物的社会演化受系统发育信号的影响,即遗传自一个共同祖先、并随着物种分化而逐步演化。然而,目前人们对灵长类社会系统多样性的遗传机制知之甚少。为探索这一悬而未决的热点问题,西北大学齐晓光、李保国教授团队和昆明动物所吴东东团队以亚洲叶猴为研究模型,采用多学科交叉手段,结合生态学、古气候学、古地理学、化石记录、灵长类社会学多重表型以及基因组学等方法和数据,揭示了亚洲叶猴多样化社会演化的行为学、生态学和遗传学机制。

  

为了解析亚洲叶猴社会系统的精细演化过程,研究团队新测序获得了7个亚洲叶猴物种的高质量参考基因组(包括旗舰文章所产生的2个长读长三代基因组数据),结合先前已发表的基因组数据,重建了全基因组水平亚洲叶猴系统发育关系。分析显示亚洲叶猴的社会系统演化存在强烈的系统发育信号,其中奇鼻猴类群呈现两步式的逐步聚合模式:从祖先一雄多雌式的单家庭群逐步演化成具有分离-聚合特征的类重层社会,再演化出长期集群生活的重层社会。基于现生亚洲叶猴物种的生态-行为学数据集,种间分析显示物种的社群规模与气候寒冷程度显著相关,即寒冷地区的物种通常形成大规模社群。与现生物种的演化模式一致,结合构建的亚洲古地质、古环境数据集的演化历史分析进一步发现两次社会聚合事件都发生在历史的寒冷时期,表明寒冷效应可能促进了社会聚合,是重层社会演化的一个关键生态因子。为进一步挖掘这种聚合背后的遗传学机制,基于比较基因组学,研究团队发现,在具有重层社会的奇鼻猴中,与寒冷相关的能量代谢和神经、激素调节相关基因受到正选择。深入分析发现这些类群演化出了更加有效的脑、神经激素调控网络,尤以多巴胺、催产素为代表。这些适应性改变,有助于在寒冷的环境中增强母猴的抚育行为,如延长照顾幼崽和哺乳期时间,从而增加婴猴成活率。这些改变可能通过间接增加个体的友好行为,加强了个体间的交流与联系等方式,最终促进亚洲叶猴从彼此独立的一雄多雌群向大型重层社会演化。该研究从行为、生态、遗传等多个维度,全面解析亚洲叶猴重层社会的起源、演化和形成机制,为灵长类社会演化提供了重要的研究范式。 

以上研究以Adaptations to a cold climate promoted social evolution in Asian colobine primates为题,在线发表于《科学》。西北大学齐晓光、李保国,昆明动物所吴东东和澳大利亚西澳大学Cyril C. Grueter为该文章的共同通讯作者。   

灵长类基因组计划相关研究工作得到了中国科学院、国家自然科学基金委员会、云南省科技厅、昆明动物研究所等单位的资助和支持,也是模式动物表型与遗传研究设施(灵长类设施)建设进展的阶段性重大成果。 

设施依托现有条件和团队,在边建设边运行期间,切实支撑了灵长类动物模型与疾病机理研究,创建了系列灵长类动物基因修饰模型,为疾病机理解析和干预奠定了基础。通过设施的运行,将集合灵长类实验动物和医药生物资源的优势,汇聚灵长类动物研究和动物实验的高层次人才,打造国际一流的技术支撑体系,成为引领领域发展的国际合作基地,实现原创性重大理论和核心关键技术突破,成为领域科技制高点。