最年轻院士线粒体基因组研究获进展

　　

生物通报道，中科院昆明动物所张亚平院士课题组与“****”施鹏研究员合作，在权威杂志《Genome Research》在线版发表研究性文章Relaxation of selective constraint on avian mitochondrial DNA following the degeneration of flight ability，揭示线粒体基因组的选择压力与动物的运动的关联。

 

张亚平教授2003年37岁时被评选为院士，为最年轻院士。曾获中国青年科学家奖，中国青年科技奖、香港求是科技基金会杰出青年学者奖，何梁何利基金科学与技术进步等奖。

 

该研究文章提出了与能量供应相关的线粒体基因在不同飞行能力的鸟类中受到了不同的选择压力的科学假说。

 

据动物所消息：张亚平院士指导的博士研究生沈永义和孙艳波通过对76个鸟类线粒体全基因组序列的比较和分析，证实了飞翔退化组的鸟类线粒体基因所受到的选择压力显著地小于飞翔组。飞翔能力退化的鸟类，由于不飞行，需要比较少的能量就能维持其运动，因此在飞翔能力退化的鸟类线粒体基因组中，即使发生轻微影响功能的突变，使其产能效率降低，对个体的生存、繁衍没有太大的危害。因此，在飞翔能力退化的鸟类中的选择压力显著地放松，积累了更多的轻微影响功能的突变。

 

为了进一步揭示这个科学假说的普遍性，他们进一步研究了214个哺乳动物线粒体基因组。同样发现，奔跑运动能力弱的哺乳动物线粒体基因组受到的选择压力比奔跑运动能力强的哺乳动物显著地放松。

 

该研究揭示了动物系统发育研究中最流行的标记——线粒体基因组的进化并非传统认为的中性进化，物种运动功能相对应的能量需求对线粒体基因组的进化有很重要影响，因为线粒体在能量代谢过程中起关键作用。

 

具有飞行能力是鸟类区别于其它脊椎动物的最主要特征之一，也是该类群能从残酷的自然界竞争中生存、繁衍的主要原因之一。在现存的鸟类中，飞行能力呈现了多样化。比如：鹰和雕等飞禽具有良好的飞翔能力；与此相反的是企鹅、鸵鸟等鸟类的飞翔能力完全退化，而家鸡，环颈雉和锦鸡等鸟类的飞翔能力部分退化，只能短距离的滑翔飞行。鸟类的飞行是非常耗能的运动，约为动物奔跑所耗能量的3-15倍。而飞行及奔跑所需的能量主要是由细胞内的“能量工厂”线粒体提供的。

（生物通  小茜）

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Relaxation of selective constraint on avian mitochondrial DNA following the degeneration of flight ability

Yongyi Shen, Peng Shi, Yan-Bo Sun and Ya-ping Zhang,1

 

【Abstract】

The evolution of flight is the most important feature of birds, and this ability has helped them become one of the most successful groups of vertebrates. However some species have independently lost their ability to fly. The degeneration of flight ability is a long process, and some species remain transitional locomotive models. Most of the energy required for locomotion is supplied by mitochondria via oxidative phosphorylation. Thus, rapidly flying birds should require a more energy efficient metabolism than weakly flying or flightless species. Therefore, we speculated that evolutionary constraints acted on the mtDNA of birds with different locomotive abilities. To test this hypothesis, we compared 76 complete avian mitochondrial genomes. Weakly flying and flightless birds, compared to rapidly flying birds, accumulated more nonsynonymous nucleotide substitutions relative to synonymous substitutions. Even after controlling for mutation rate, this trend remained significant. This finding was further tested for its generality by examining 214 complete mammalian mitochondrial genomes. The same as birds, a negative correlation was also found for the Ka/Ks ratio and locomotive speed. Our results demonstrated that, in addition to the previously described role for effective population size, functional constraints due to locomotion play an important role in the evolution of mtDNA.

 

张亚平

院士，中共党员，理学博士，研究员，博士生导师。1991年在中科院昆明动物研究所获博士学位，1992－1995年初在美国圣地亚哥动物协会做博士后研究，1995年回国任研究员，现任中国科学院昆明动物研究所所长，中国遗传学会动物遗传专业委员会主任；《Cell Research》、《自然科学进展》、《遗传学报》、《科学通报》、《动物学报》、《生物多样性》、《动物学研究》等刊物编委。

      

他的研究小组主要从事进化基因组和基因组多样性研究,建立了广泛稳定的国际合作关系。他和合作者对哺乳动物重要类群的演化开展了系统深入的研究，澄清了一些类群系统与演化中的一些重要问题；在建立了东亚人群mtDNA单倍型类群的系统发育关系及基础上，探讨了东亚特别是中华民族的源流和人群的迁移与分化，提出了一些新观点；在我国系统研究了一些濒危动物和主要家养动物的遗传多样性；发现我国南方及周边地区是家养动物驯化的重要区域，证明遗传多样性的贫乏与物种濒危之间没有必然的对应关系；在脊椎动物中首次证明了微进化时间范围DNA进化速度有显著差异的现象，说明使用分子钟时应特别谨慎；深入开展了基因的起源进化和生物适应进化机制的研究，揭示了食物适应的一些遗传机制。1995年回国以来，在《Nature》、《Science》、《PNAS》、《Nature Genetics》、《American Journal of Human Genetics》等国际著名SCI刊物发表了一批论文，他们的论文已被引用约800次。因为在分子进化与遗传多样性方面的重要贡献，2002年荣获在美国颁发的国际大奖"Biodiversity Leadership Awards"，成为第一位获此殊荣的亚洲学者。他还先后获得过中国青年科学家奖、中国青年科技奖等奖励。 2001年入选国家创新研究群体。他与美国、日本等国的多个实验室有长期的合作关系，并联合培养研究生。已招收培养了一批博士和硕士研究生。

 

目前主持在研若干项国家和省部级项目，包括国家自然科学基金委创新研究小组项目"分子进化与进化基因组" （３６０万），中国科学院重要方向研究项目"动物的种群遗传及其与生态适应的关系" （３００万）等重大项目。