四足动物从水生到陆生转变遗传！西工大学者揭秘重大研究进展

记者从西北工业大学获悉：北京时间2月5日凌晨，西北工业大学一项重大科研成果在国际著名学术刊物《CELL》（《细胞》）发表。这一成果分别以《非洲肺鱼基因组为揭示脊椎动物从水生到陆生进化机制提供新启示》（African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition）、《在原始辐鳍鱼中追溯脊椎动物登陆的遗传印迹》（Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes）为题，深刻揭示了陆生脊椎动物（也称“四足动物”）遗传创新基础与起源进化机理，对动物适应进化机制及其仿生应用研究，乃至探究人类相关器官的发育及疾病机理方面均具有重要意义。

包括人类在内的陆生脊椎动物祖先，是由鱼类在4亿年前从海洋走向陆地进化而来。这一过程需要在呼吸系统、运动系统、神经系统等方面进行各种生理和形态的革新，才能实现水生到陆生的转变。经过长期的古生物学和脊椎动物学研究，已知现在还活着的四足动物的鱼类近亲是肺鱼。

肺鱼和四足动物属于肉鳍鱼类，肉鳍鱼类和辐鳍鱼类（常见的各种鱼）被统称为硬骨鱼类。从硬骨鱼祖先到肉鳍鱼祖先，再到四足动物，各种进化改变的遗传创新基础是什么，一直是科学界悬而未决的重大科学问题。解析肺鱼和原始辐鳍鱼类这些“活化石”鱼类的基因组，是解决这一重大问题的关键。

《Cell》在线发表的西工大生态环境学院联合国内外合作者完成的以上两篇研究论文，第一项成果的第一作者为西工大王堃副教授；第二项成果研究中，王堃副教授和王文教授分别为共同第一作者和共同通讯作者。

据介绍，这两项成果分别对非洲肺鱼及原始辐鳍鱼类中的多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝的基因组进行解析，然后通过基因组学、进化生物学、鱼类学、古生物学、计算生物学和分子生物学等多学科交叉比较分析，分别从不同角度揭示了四足动物祖先水生到陆生转变的遗传创新基础。

生物的遗传信息存储于DNA之中，一个物种DNA的总和被称为该物种的基因组。肺鱼的基因组大小是人类的10多倍以上，对这一超大基因组的解析一直是科学界的难题。

第一项成果发现，脊椎动物从水生到陆生的演化经历了3步重要的遗传创新过程。

硬骨鱼类祖先中，已经出现空气呼吸能力和空气嗅觉的分子基础；后续硬骨鱼类进化的一个分支肉鳍鱼类中，出现了更多呼吸相关基因和功能元件，使它们的空气呼吸能力进一步加强；肉鳍鱼类进化的一个分支四足动物进化出了更多基因和功能元件，从而具备了完备的空气呼吸能力，成功摆脱水的桎梏。

与四肢运动相关的基因，也呈现类似渐进式创新的特点。四足动物的肱骨与原始辐鳍鱼的后鳍基骨为同源器官，桡骨则是从肺鱼和四足动物祖先开始起源，五指则从四足动物才开始出现。该成果的研究发现了参与这些功能形成的一批基因和基因调控元件。此外，还发现了大脑、心脏等多个器官适应陆地生活的遗传变异基础。

该成果成功解析了非洲肺鱼的基因组，该基因组成为迄今被解析的最大基因组。研究中开发的两个基因组解析软件正在成为基因组学研究领域的通用软件，再次彰显了我国在基因组学研究领域的前沿影响力。

第二项成果围绕原始辐鳍鱼的基因组，分析四足动物祖先在更早期的演化历史。

四足动物起源过程中，鱼鳍演化为四肢，鳃式呼吸演化为肺式呼吸。该研究发现，调控四肢运动灵活性的基因功能元件，在硬骨鱼类共同祖先中已经出现，这些元件在辐鳍鱼类的一个进化分支——真骨鱼里丢失掉了，但在原始辐鳍鱼（辐鳍鱼类的另一进化分支）和包含人类在内的四足动物共同祖先中保留下来，最终为四足动物的四肢演化提供了重要遗传创新基础。而肺的功能形态和遗传基础的起源也可以追溯到所有硬骨鱼的共同祖先，这一时期的‘原肺’在多鳍鱼（属于原始辐鳍鱼类）和肺鱼中继续演化成更为成熟的肺，而在我们常见的真骨鱼里演变成鱼鳔。

上述两项成果，为揭示脊椎动物从水生到陆生遗传创新基础提供了全新的认知，是陆生脊椎动物（四足动物）起源进化研究的新里程碑，鉴定到的各种遗传变异为未来肺、四肢、脑、心等器官组织的起源和功能研究提供了大量新线索。

参与该项研究的是西工大生态环境学院王文和邱强教授带领的科研团队。团队主要从事组学大数据、生物适应进化机制及其仿生应用等研究，近年来取得了一系列前沿性创新成果。