世界上最奇怪章鱼的基因组解密

发表在《Genome Biology and Evolution》杂志上的一项新研究首次揭示了大舡鱼的基因组及其不寻常特征的进化过程。

　　

   

   

图示为A. argo 的照片及其薄如纸的卵壳;日本大木岛附近的位置地图，在那里捕获了测序的标本;几乎完整的Hox基因簇，以前被认为在所有章鱼中都是碎片化的;以及A. argo LamininG3蛋白的描述，它与鹦鹉螺壳中的一种蛋白质同源，但似乎不存在于A. argo的卵壳中。    

Argonauta argo它以世界上最古怪的章鱼而闻名，的确可能是海洋中最不寻常、最神秘的生物之一。与生活在海底的同类不同，这种章鱼有一种远洋生活方式，这意味着它生活在开阔的海洋中。这种转变导致了一系列的进化适应，使argonauta 在它的章鱼亲戚中独一无二。其中最明显的是雌性Argonauta 分泌的一种薄如纸的螺旋形结构，外观与鹦鹉螺的螺旋壳相似。这个壳状的“蛋壳”保护里面的蛋，并吸入空气以保持水柱的浮力;这也导致了人们对argonaut的误称:“纸鹦鹉螺”。更奇怪的是，为了交配，雄argonauta会把它的生殖臂，也就是所谓的“交子骨”，取下来交给雌argonauta，雌argonauta把它保存在自己的壳里，用它给自己的卵子受精。长期以来，科学家们一直对更多地了解这些不同寻常的无脊椎动物很感兴趣，但由于难以在水族馆中维护它们和获得野生样本，对argonauta的研究相对较少。现在，在美国，来自六家日本机构的研究人员展示了第一个基因组草案。在深化我们对头足类动物(章鱼、墨鱼、乌贼和鹦鹉螺)和软体动物的理解的同时，为其不同寻常的特征的进化提供了新的见解。

由Masa-aki Yoshida和Davin Setiamarga领导的研究人员开始更好地了解argonauta的进化，特别是它壳状蛋壳的来源。argonauta的卵壳与鹦鹉螺的壳在结构、成分和形成方法上都有所不同。例如，卵壳蛋白质不像鹦鹉螺的外壳那样由外套(身体)分泌，而是由argonauta的两条手臂分泌。由于这些差异，研究人员长期以来一直怀疑，argonauta的蛋壳是从鹦鹉螺的外壳独立进化而来的。Setiamarga说:“我们还不知道这种复杂的形态特征是如何在进化过程中重新获得的，尤其是在分子水平上。”幸运的是，该团队有能力对舡鱼进行基因组研究。“从日本岛根县大木岛海岸的渔网中可以收集到argonauta样本，那里是主要作者之一(Yoshida)的所在地。有了新鲜的argonauta样本，我们才有可能研究这种不寻常的有机体。”

新基因组草图的分析产生了一些令人惊讶的结果。首先argonauta基因组的大小不到其他头足类动物基因组的一半，使其成为迄今为止已知的最小的头足类动物基因组。到目前为止已经测序的其他头足类动物的基因组相对较大，包含较高比例的重复元素(约45%)。“我们在章鱼谱系中发现了一个基因组尺寸更小的物种，这表明这种(基因组扩张)趋势对头足类动物的进化并不是必需的。”作者还发现了其他的差异，Hox基因是发育过程中至关重要的基因，其序列和顺序往往高度保守，这进一步表明章鱼的基因组结构比之前认为的有更大的差异。

作者还发现了高度保守的反射蛋白和酪氨酸酶基因簇，他们认为这两个基因家族与argonauta向远洋生活方式的转变有关。生活在开阔的海洋中，argonauta非常依赖它的伪装能力来躲避捕食者。特别的是，argonauta的一只手臂通常缠绕在它的外壳上，用彩虹色体反射光线，使它看起来像一面镜子;反射素基因簇可能在这一过程中起着关键作用。作者鉴定的酪氨酸酶与一些软体动物壳基质中的蛋白质有关。虽然这些基因是否与argonauta的卵壳形成有关还有待证实，但作者假设，这些基因在argonauta不产壳的章鱼祖先中是保守的，然后被用于argonauta的壳状卵壳。

该研究的作者还比较了编码卵基质蛋白的基因的进化史A. argo以及编码鹦鹉螺和其他软体动物外壳基质蛋白质的基因。一般来说，卵壳基质蛋白与其他头足类动物和软体动物的基因同源(来自一个共同的祖先)，尽管它们在这些物种的壳形成中没有使用。同样，壳基质蛋白的同源性存在于A. argo，虽然它们没有参与卵的生产。东京大学(University of Tokyo)的研究生Kazuki Hirota也参与了这项研究，他说，这些结果“支持了之前提出的假设，即章鱼吸收了与壳形成无关的蛋白质，并将它们用于卵壳。”

作者预计，他们的研究将为未来几个以前未探索的领域的研究铺平道路，包括argonaut表观基因组调控(基因表达的变化与DNA序列的变化无关)，壳和卵壳形成基因的功能研究，以及最终的种群动态分析。

Gene Recruitments and Dismissals in the Argonaut Genome Provide Insights into Pelagic Lifestyle Adaptation and Shell-like Eggcase Reacquisition