揭示半索动物与脊椎动物间惊人的线粒体同源性：基因排列与密码子使用偏好的进化新证据

本研究针对半索动物与脊索动物进化关系存在形态学与分子证据冲突的难题，通过对四种半索动物线粒体基因组进行测序，结合系统发育、基因排列和密码子使用偏好分析，揭示了半索动物与脊椎动物在线粒体基因排列模式和密码子使用偏好上存在高度相似性。研究结果表明两者存在深层的线粒体同源关系，为理解后口动物早期进化提供了新的分子证据，对揭示神经系统进化机制具有重要意义。

　　

在动物进化研究的宏伟画卷中，后口动物的起源与分化始终是科学家们关注的焦点。其中，半索动物（Hemichordata）作为连接无脊椎动物与脊索动物的关键类群，其进化地位一直存在争议：虽然形态学特征（如鳃裂、背神经索等）显示其与脊索动物高度相似，但分子遗传数据却支持半索动物与棘皮动物构成步带动物（Ambulacraria）支系。这种形态与分子证据的矛盾使得早期后口动物的进化历史充满谜团。

为了解决这一争议，来自中国南方海洋科学与工程广东实验室（广州）进化与保护生物学中心的Weijian Guo、Zhongwen Ding、Xianan Fu、Huizhong Fan、Jixing Sui、Xinzheng Li、Fuwen Wei和Wenliang Zhou研究团队对四种代表性半索动物（Glossobalanus polybranchioporus、Glandiceps qingdaoensis、Balanoglossus misakiensis和Glossobalanus weii）进行了线粒体基因组测序，并开展了多角度比较分析。研究成果发表在《Heliyon》上，为理解后口动物进化提供了新的视角。

研究团队采用的主要技术方法包括：通过CTAB法从采自青岛胶州湾和海南儋州潮间带的标本中提取高质量DNA；使用DNBseqT7平台进行测序并通过MitoZ v3.6流程组装完整线粒体基因组；利用MITOS网络服务器和手动校正进行基因注释；基于174种后口动物物种的线粒体蛋白质编码基因（PCGs）进行最大似然法（ML）和贝叶斯推断（BI）系统发育分析；使用TreeREx和MLGO进行基因排列模式分析和祖先状态重建；通过CodonW软件计算相对同义密码子使用度（RSCU）和有效密码子数（ENc）等指标分析密码子使用偏好。

研究结果主要包括以下几个方面：

3.1. 半索动物线粒体基因组的一般特征

新测序的四种半索动物线粒体基因组长度在15,654-16,014 bp之间，包含37个基因（13个PCGs、22个tRNA基因和2个rRNA基因）。AT含量在52.4%-55.8%之间，表现出正的AT偏斜和负的GC偏斜。研究发现这些半索动物存在两种基因排列模式，其中三种物种（G. polybranchioporus、B. misakiensis和G. weii）符合橡实虫的祖先基因排列，而G. qingdaoensis则表现出明显不同的排列模式。

3.2. 系统发育重建

基于五种不同分析流程构建的系统发育树显示，在大多数分析中半索动物与棘皮动物形成姐妹群关系（步带动物支系），支持传统的分子系统学观点。但在PCGs_nt_codon_ML流程中，出现了被囊动物与蛇尾类的错误分组，表明长枝吸引现象可能影响系统发育推断。

3.3. 基因排列模式

基于完整基因顺序数据构建的MLGO树显示了一个令人惊讶的结果：半索动物与脊椎动物和头索动物形成了一个具有高度支持度的支系。基因排列分析表明，脊椎动物、半索动物和头索动物的基因排列与后口动物祖先（A1）非常相似，随后通过单个倒位事件产生了现代头索动物和脊椎动物中最常见的基因排列。

3.4. 密码子使用模式

通过RSCU值热图分析发现，半索动物与脊椎动物表现出相似的密码子使用模式，尽管它们属于不同的进化支系。UPGMA聚类树将头索动物、被囊动物和海百合聚在一起，表明它们共享重复的同义密码子使用模式。中性绘图和ENc绘图分析表明，自然选择在塑造线粒体基因密码子使用偏好中起主要作用，突变压力影响较小。

研究结论与讨论部分指出，这项研究首次在线粒体基因组水平上揭示了半索动物与脊椎动物之间在基因排列和密码子使用偏好上的高度相似性。这种相似性可能源于系统发育惯性（phylogenetic inertia），即由于代谢和适应可变环境的基本作用而保持祖先特征；也可能是选择、突变、重排和功能依赖性复杂相互作用的结果。

密码子使用偏好的相似性尤其值得关注，因为根据选择理论，密码子使用偏倚有助于蛋白质表达的效率和准确性，受到正选择的影响。密码子偏好的保守性强调了共同选择压力和功能约束的存在。这些发现与形态学证据和特定分子实验相呼应，表明半索动物和脊椎动物可能有共同祖先，突出了线粒体基因组学在揭示早期后口动物进化复杂性方面的重要性。

尽管研究存在一些局限性，如某些系统发育分析中Balanoglossus和Glossobalanus属的非单系性、长枝吸引效应的影响，以及基因排列和RSCU数据构建的拓扑结构与序列基于树的差异，但这些分析仍然为理解半索动物进化及其在后口动物中的位置提供了重要见解。

总之，这项研究通过多角度分析揭示了半索动物与脊椎动物之间深层的线粒体同源关系，为后口动物进化研究提供了新的分子证据，挑战了传统的进化观点，为理解动物界重大进化 transitions 提供了新的视角。自然选择塑造的线粒体基因排列和基因组密码子使用偏好模式，为这些看似不同的动物门类之间的深层线粒体同源性提供了令人信服的分子证据。