淡水海绵线粒体首次发现II型内含子及其假基因化丢失证据

《Journal of Molecular Evolution》：First Report on Presence of Mitochondrial Introns in Freshwater Sponges, and Pseudogenic Evidence of Their Loss

本研究针对海绵中线粒体内含子分布零散的未解之谜，开展了淡水海绵线粒体基因组II型内含子的系统研究。研究人员在淡水海绵Eunapius rarus的cox1基因中发现完整II型内含子，并在近缘种E. fragilis核基因组中发现其假基因化片段(Numts)。结果表明该内含子通过独立水平基因转移获得，并在演化过程中经历从线粒体向核基因组的转移及后续丢失，为解释海绵内含子斑块状分布提供了"频繁丢失"的新机制。

　　

在生命演化的长河中，线粒体作为细胞的"能量工厂"，其基因组中隐藏着许多演化故事的密码。其中，线粒体内含子——这些能够自我剪接的核糖核酸(RNA)片段，如同基因组中的"可移动元件"，在不同生物类群中呈现出令人费解的斑块状分布。特别是在多孔动物门(Porifera)的海绵中，I型内含子较为常见，而II型内含子却极为罕见，这种现象背后的演化机制一直困扰着研究者。

更令人困惑的是，淡水海绵作为大约3.09亿年前从海洋祖先分化出来的特殊类群，此前从未发现过任何线粒体内含子的存在记录。这种分布格局究竟是由于内含子的多次独立获得，还是频繁丢失所致？这一科学问题激发了研究人员的探索热情。

为了解开这个谜团，研究团队将目光投向了淡水海绵Eunapius属。通过对采自中国南京珍珠泉公园Jingshan湖的珍稀淡水海绵Eunapius rarus进行深入研究，科学家们获得了令人振奋的发现——在其线粒体细胞色素c氧化酶亚基1(cox1)基因中，首次鉴定出一个完整的II型内含子。这一发现不仅填补了淡水海绵线粒体内含子研究的空白，也为理解内含子演化提供了新的视角。

研究团队采用Illumina NovaSeq和Oxford Nanopore Technologies PromethION平台对E. rarus进行全基因组测序，通过SPAdes进行线粒体基因组组装，MITOS2进行基因注释。利用ORF finder鉴定内含子开放阅读框，InterProScan分析保守结构域，MAFFT进行多序列比对，PhyML构建最大似然系统发育树，并通过NCBI blast在全基因组范围内搜索同源序列。

线粒体基因组特征与内含子鉴定

研究人员成功组装出覆盖度达4206.8X的E. rarus线粒体基因组，全长30,672 bp，包含海绵典型的14个蛋白质编码基因、2个rRNA基因和25个tRNA基因。在cox1基因第1141位点发现一个长2,374 bp的II型内含子，其包含一个2,166 bp的完整开放阅读框(ORF)，编码典型的内含子编码蛋白(IEP)，具有逆转录酶(RT)、成熟酶(X)和内切核酸酶(En)三个保守结构域。

系统发育分析揭示独立获得途径

系统发育分析显示，E. rarus的II型内含子与褐藻中的内含子亲缘关系更近，而与其他海绵的II型内含子关系较远。

这一结果表明该内含子是通过独立于其他海绵的水平基因转移事件获得的，而非垂直遗传。内含子结构的完整性可能归因于近期插入事件和淡水海绵线粒体基因组较慢的演化速率。

核基因组中发现假基因化证据

令人惊讶的是，在近缘种E. fragilis的线粒体基因组中并未发现该内含子，但在其核基因组第9号染色体上找到了四个与E. rarus内含子高度同源的片段(F1-F3和R1)。这些片段包含5'RNA结构域、RT结构域和部分X结构域，但缺乏En结构域和3'RNA结构域，且存在多个终止密码子，表明它们已成为假基因化的核线粒体片段(Numts)。

内含子演化新模式

这一发现揭示了II型内含子存在与假基因化转位的新模式。研究表明，Eunapius属的最后共同祖先的线粒体基因组中确实存在该II型内含子，而在E. fragilis谱系中，内含子从线粒体基因组转移到核基因组并假基因化，最终从线粒体基因组中丢失。这种"获得-转移-丢失"的演化路径为解释海绵中线粒体内含子的斑块状分布提供了新机制。

本研究首次在淡水海绵中发现线粒体II型内含子，并提供了内含子从线粒体向核基因组转移的直接证据。研究结果强调，内含子的斑块状分布不仅源于多次独立获得，更与频繁的丢失事件密切相关。淡水海绵通过出芽、断裂或芽球等无性繁殖方式可能促进了内含子的传播，而线粒体基因组的保守性则为内含子的长期保存提供了条件。这项发表于《Journal of Molecular Evolution》的研究为理解可移动遗传元件的演化动力学提供了重要案例，深化了我们对基因组可塑性和生物适应性的认识。