硬骨鱼类ZP基因的进化策略：基因组扩张与肝脏表达在卵膜形成中的双重保障机制

本文系统解析了硬骨鱼类ZP（zona pellucida）基因的进化策略，揭示了基础类群通过ZPB1(a)和ZPC1(a)基因的基因组扩张实现卵巢高表达，而高级类群则通过肝脏特异性表达ZPB1a和ZPC1aa来保障卵膜蛋白合成的创新机制。研究通过15个代表物种的比较基因组学与转录组分析，发现N端重复单元形成的螺旋结构是弹性卵膜形成的关键，为脊椎动物生殖适应性进化提供了重要见解。

　　

引言

ZP（zona pellucida）糖蛋白在受精过程中介导物种特异性精卵结合，并对胚胎起保护作用。在硬骨鱼类中，ZP基因的进化涉及基因扩张和表达器官转移两种策略，但其发生时机和相互关系尚不明确。本研究通过对环口纲和新鳍亚纲15个代表物种的ZP基因进行全面鉴定与表达分析，揭示了硬骨鱼类通过不同进化策略保障ZP蛋白合成的分子机制。

方法

研究团队从15个代表物种（包括大西洋盲鳗、亚洲溪七鳃鳗、弓鳍鱼等）基因组中鉴定所有ZP基因，使用tblastn方法（E=2×10^-5）以尼罗罗非鱼ZP成员作为查询序列。通过最大似然法构建系统发育树，利用NCBI数据库进行染色体定位分析，并基于转录组数据（FPKM值）分析基因表达模式。采用原位杂交技术确定ZPB1a和ZPC1a在卵巢中的细胞定位，使用Batch smart和AlphaFold2进行蛋白结构域分析和三维结构预测。

结果

3.1 ZPB1(a)和ZPC1(a)的扩张与表达器官转换

在七鳃鳗中首次发现ZPB1和ZPC1的扩张现象，该特征在弓鳍鱼和基础硬骨鱼类中得到保留。基础硬骨鱼类（如鳗鲡、弓鳍鱼、龙鱼等）的所有ZP基因均在卵巢中表达，其中扩张的ZPB1(a)（7-17个重复拷贝）和ZPC1(a)（8-32个重复拷贝）占总FPKM值的82%-92%。而在高级硬骨鱼类（如鲱形目、狗鱼目等）中，ZP基因表达器官转变为肝脏和卵巢共同表达，仅保留少量ZPB1和ZPC1拷贝（在真硬骨鱼类20个物种中得到验证），其中肝脏表达的ZPB1a和ZPC1aa占总FPKM值的64%-95%。

系统发育分析显示，卵巢表达的扩张ZPB1(a)/ZPC1(a)与肝脏表达的ZPB1a/ZPC1aa分别起源于共同的祖先基因。染色体定位研究表明，扩张的ZP基因在多条染色体上分布，而在肝脏表达物种中，ZPB1a和ZPC1aa以串联重复形式位于同一染色体。

3.2 高表达ZP基因的特征

转录组分析表明，在墨西哥脂鲤、斑点叉尾鮰和大鳞铲颌鱼等基础硬骨鱼类中，扩张的ZPB1a和ZPC1a表达量显著高于其他ZP基因。同样地，在高级硬骨鱼类中，肝脏表达的ZPB1a和ZPC1aa也呈现超高表达特性。大鳞铲颌鱼卵巢发育四个阶段（4个月至4年）的持续高表达验证了这些基因的重要性。

3.3 N端螺旋结构的发现

蛋白结构域预测显示，在卵巢表达的扩张ZPB1(a)/ZPC1(a)和肝脏表达的ZPB1a的N端存在内部重复单元或低复杂度区域。这些区域富含脯氨酸（P）和/或谷氨酰胺（Q），可形成多脯氨酸II型（PPII）螺旋结构。三维结构预测证实，这些重复单元和低复杂度区域确实形成螺旋结构，可能有助于ZP蛋白的结构延展性，从而形成更具弹性的卵膜。

讨论

4.1 表达器官转换的进化节点

研究表明ZP基因表达器官转换发生在鲱形目鲱亚目祖先中。基础硬骨鱼类通过基因扩张策略在卵巢中实现高效表达，而高级硬骨鱼类则进化出肝脏表达这一更高效的策略。肝脏作为脊椎动物最大的合成器官，只需表达1-2个ZP基因即可满足需求，且其丰富的血流支持蛋白质从合成部位（肝脏）到作用部位（卵巢）的运输。

4.2 两种进化策略的适应性意义

硬骨鱼类进化出两种确保足够ZP合成的策略：基础类群通过ZPB1(a)和ZPC1(a)基因组扩张实现卵巢高表达，高级类群通过肝脏特异性表达ZPB1a和ZPC1aa。这种从基因扩张到肝脏表达的转变反映了ZP基因在硬骨鱼类中的进化历程。肝脏表达策略更高效且调控精确，肝脏表达的ZP基因受血清雌激素水平调控，已在尼罗罗非鱼、太平洋鲱和青鳉等物种启动子中发现雌激素反应元件。

4.3 N端螺旋结构的功能重要性

ZP蛋白N端的低复杂度区域和重复单元可形成PPII螺旋结构，其结构灵活性参与结构弹性和自组装过程。这些区域在受精后通过转谷氨酰胺酶催化Q和K（赖氨酸）残基间形成交联，从而使卵膜硬化。同时，这些螺旋结构上的交联形成网状结构，使卵膜更具延展性，为鱼卵和发育中的胚胎提供更好的保护。

结论

本研究首次系统揭示了硬骨鱼类ZP基因的两种进化策略及其分子机制，发现N端螺旋结构是弹性卵膜形成的关键结构基础。这些发现不仅深化了对脊椎动物生殖适应性进化的理解，也为鱼类生殖生物学和进化发育生物学提供了重要理论基础。