鼢鼠地下生活适应的基因组、表观基因组和三维基因组特征解析

《BMC Biology》：Genomic signatures of subterranean lifestyle and ecological adaptation in Myospalax

本研究针对哺乳动物地下生活适应及生态分化的基因组机制这一重要科学问题，通过比较基因组学、表观基因组学和三维基因组学方法，对栖息于干旱和湿润地下环境的两种鼢鼠(Myospalax aspalax和Myospalax psilurus)进行了系统研究。研究发现地下谱系特异性正选择基因和快速进化基因富集于DNA修复、缺氧反应和代谢通路，鉴定出40个大于1Mb的大规模染色体倒位与高遗传分化区域重叠，揭示了倒位通过非等位基因同源重组(NAHR)形成并影响三维染色质结构的机制，为理解哺乳动物极端环境适应提供了多组学证据。

　　

在地球生命演化的长河中，哺乳动物展现出了惊人的适应性，能够成功殖民从天空到海洋、从沙漠到地下的各种生态环境。其中，从地表生活向地下生活的转变尤为引人注目，这一转变需要克服黑暗、缺氧、食物有限等多重挑战。然而，我们对哺乳动物适应地下生活的分子机制，特别是基因组层面的调控机制，仍知之甚少。

鼢鼠(Myospalax)作为中国特有地下啮齿动物，为研究这一科学问题提供了理想模型。其中，草原鼢鼠(Myospalax aspalax)和东北鼢鼠(Myospalax psilurus)作为近缘物种，分别栖息于年降水量200-400mm的半干旱草原和400-800mm的半湿润森林草原环境，形成了独特的生态适应性差异。这种鲜明的生态对比为研究不同湿热环境下物种分化和适应机制提供了难得的机会。

发表在《BMC Biology》的这项研究，通过整合比较基因组学、表观基因组学和三维基因组学分析，系统揭示了两者在地下生活适应和生态分化过程中的基因组特征。研究不仅阐明了地下适应的一般规律，还揭示了物种特异性适应策略的分子基础。

研究人员采用多重技术手段开展本研究：通过全基因组比对和系统发育分析构建了12种啮齿动物的进化关系；利用分支位点模型和分支模型鉴定正选择基因(PSGs)和快速进化基因(REGs)；基于26个个体的重测序数据分析种群遗传分化和拷贝数变异(CNV)；通过转录组测序分析转座子(TE)表达差异；运用PacBio HiFi测序技术进行DNA甲基化检测；结合Hi-C技术解析三维染色质结构；使用SyRI软件鉴定结构变异(SVs)，并通过PacBio HiFi读段和contig水平基因组组装验证倒位断点。

基因组进化揭示地下适应机制

通过基于1,082,849个四重简并位点的系统发育分析，研究发现地下谱系中存在436个正选择基因，这些基因显著富集于DNA修复、血管发育、造血、免疫系统成熟、葡萄糖代谢和糖酵解等通路。关键基因如Atm、Atrip、Mcm2、Bmpr2、Nox1和Epor等显示出协调进化特征，表明它们在地下缺氧适应中发挥重要作用。

同时，研究鉴定出702个快速进化基因，主要涉及视觉感知、果糖代谢、骨骼肌器官发育、生殖细胞发育、心肌形态发生、心脏收缩和神经退行性变等通路。值得注意的是，地下物种的K2P(金氏2参数)遗传距离显著低于地表物种，表明地下生活可能施加了特殊的进化约束或选择压力。

M. aspalax和M. psilurus的差异适应基因组特征

两种鼢鼠的分化时间约为294万年前，与我国第二、三级地貌阶梯的分界以及大兴安岭的地理隔离作用相吻合。物种特异性适应分析显示，干旱适应的M. aspalax在肾脏发育和脂质代谢相关基因上受到强烈选择，如Lamb2、Pdgfrb、Irs-1和Scap等基因，这可能与其增强水分保留和能量效率的适应策略相关。

而湿润环境适应的M. psilurus则表现出与水盐平衡、味觉感知、DNA损伤反应和生殖细胞发育相关基因的快速进化，如Tas2r1和Dnmt3a等基因。特别值得注意的是，M. psilurus表现出显著的嗅觉受体基因丢失和信息素相关基因家族扩张，提示其化学感应系统发生了重要重组。

转座子组成和表达差异

比较分析发现，M. psilurus尽管整体转座子含量较低，但在心脏、肺、肝、肾和肌肉五种组织中均表现出特定ERVK(内源性逆转录病毒K)家族转座子的广泛转录激活。其中MP_RND-5_FAMILY-237和MP_RND-1_FAMILY-133家族在所有组织中均排名上调前10位。

这些上调转座子邻近基因在组织间表现出更高的重叠度，且富集于肾水稳态、铁死亡、肾脏发育、线粒体DNA代谢和免疫反应等通路。M. psilurus还表现出全局性DNA甲基化水平升高，特别是在转座子区域，表明其可能通过表观遗传防御机制应对湿润环境中增加的病毒或外源元件暴露。

大规模倒位与高分化区域重叠

研究鉴定出24,755个高质量结构变异，其中包含40个长度超过1Mb的大规模平衡倒位，12个倒位跨度超过10Mb。这些大规模倒位与高F_ST(相对分化)和高D_xy(绝对分化)区域显著重叠，32个倒位同时与两种高分化区域相交。

倒位区域内基因显著富集于精子发生、雄性配子生成、单羧酸代谢过程、碳水化合物分解代谢、组蛋白修饰和染色质组织等生物学过程。多个倒位中的基因还富集于核苷酸切除修复、DNA损伤检查点信号和双链断裂修复通路，包括Ercc1、Lig1、Xrcc1等重要DNA修复基因。

大规模倒位对三维染色质结构的影响

Hi-C分析显示，虽然大多数大规模倒位不改变全局染色质区室状态，约90%的背景基因组和倒位区域在两物种间保持相同区室类型，但显著影响拓扑关联结构域(TAD)的保守性。倒位区域共享TAD体和边界的数量低于全基因组水平，表明倒位可能导致TAD重排。

更重要的是，倒位区域内染色质环的长度显著长于背景区域，提示三维染色质邻近性可能促进倒位形成。这一发现为理解基因组结构变异的发生机制提供了重要线索。

大规模倒位的形成机制和约束条件

断点验证分析显示，92.5%的预测断点可通过HiFi读段验证，63.75%可通过contig水平基因组验证。所有19个经双重验证的大规模倒位在断点500kb范围内均存在侧翼反向重复序列(IRs)，且片段重复(SDs)在倒位断点附近显著富集。

这些特征强烈表明非等位基因同源重组(NAHR)是倒位形成的主要机制。此外，倒位断点倾向于分布在端粒和着丝粒附近区域，这些区域通常富含SDs且受到纯化选择压力较小。重要的是，倒位区域内功能丧失(LoF)变异比例相对较低，且断点明显富集于TAD边界，表明纯化选择有效清除了这些结构变异内的有害等位基因，同时避免破坏完整的TAD结构。

研究结论与意义

本研究通过多组学整合分析，系统揭示了鼢鼠地下生活适应和生态分化的基因组基础。研究发现不仅阐明了地下适应的一般规律，如DNA修复、缺氧反应和代谢通路的协同进化，还揭示了物种特异性适应策略，如干旱适应种的水分保留机制和湿润适应种的表观遗传防御系统。

特别重要的是，研究首次在哺乳动物中系统揭示了大规摸染色体倒位在生态适应和物种分化中的重要作用。超过40个大型倒位与高遗传分化区域重叠，通过抑制基因流促进生殖隔离。这些倒位通过NAHR机制形成，在改变三维基因组结构的同时，避免引入过高有害突变负荷，从而在自然种群中得以维持。

该研究为理解哺乳动物极端环境适应提供了多组学视角，强调了基因组结构在进化适应中的关键作用。未来研究可聚焦候选基因和结构变异的功能验证，以及这些适应背后的表观遗传修饰机制，进一步深化对这些迷人地下哺乳动物的认识。

研究成果不仅对鼢鼠进化研究有重要贡献，也为理解生物适应极端环境的普遍规律提供了宝贵见解，对保护生物学、进化医学和环境适应研究均有重要启示。