阿拉伯角蝰(Cerastes gasperettii)染色体水平参考基因组揭示蛇毒进化与种群历史动态

本研究针对蛇毒基因组的进化机制这一关键科学问题，通过构建阿拉伯角蝰(Cerastes gasperettii)染色体水平参考基因组(1.63 Gbp，contig N50=45.6 Mbp)，结合多组学分析揭示了SVMPs和SVSPs毒素家族通过基因复制驱动进化的分子机制，鉴定了10个 venom gland特异性表达的核心毒素基因，并首次发现新型SVMP12毒素基因。研究不仅为WHO列为最高医疗重要性的毒蛇提供了高质量基因组资源，更通过种群历史分析揭示了历史干旱化事件如何促进该物种扩张，为蛇毒进化研究和抗蛇毒血清开发奠定了重要基础。

　　

在动物界最致命的武器库中，蛇毒堪称进化史上的杰作。这种由数百种蛋白质和肽类组成的复杂混合物，不仅能瞬间瘫痪猎物，每年更造成全球超过10万人死亡。尽管科学家们早已通过蛋白质组学和转录组学对蛇毒展开研究，但隐藏在DNA序列中的进化密码却长期被忽视——直到"毒液基因组学"(venomics)这一新兴领域的兴起。

传统研究存在三大瓶颈：其一，多数蛇类缺乏高质量参考基因组，特别是蝰蛇科(Viperidae)中仅有16个物种完成测序；其二，基因复制(gene duplication)等关键进化事件在基因组层面的证据不足；其三，蛇毒成分的地理变异与种群历史关联性不明。这些问题严重制约着抗蛇毒血清研发和毒素药物开发。针对这些挑战，由西班牙进化生物学研究所(IBE)领衔的国际团队选择阿拉伯角蝰(Cerastes gasperettii)为研究对象，这种广泛分布于阿拉伯半岛的沙漠蝰蛇被世界卫生组织列为最高医疗重要性物种。

研究团队采用多组学整合策略，首先利用PacBio HiFi(65 Gbp)、Hi-C(96 Gbp)和Illumina(135 Gbp)数据构建了染色体水平基因组，scaffold N50达214.14 Mbp，BUSCO完整度达92.8%。通过比较基因组学分析19条染色体(7条大染色体+10条小染色体+Z/W性染色体)发现，蝰蛇亚科(Viperinae)与蝮亚科(Crotalinae)的染色体结构高度保守，但与眼镜蛇科(Elapidae)存在显著差异，如眼镜蛇4号染色体在蝰蛇中分化为5号和7号染色体。

毒素基因定位揭示惊人发现：13个蛇毒金属蛋白酶(SVMPs)在8号染色体形成串联阵列，与无毒旁系同源基因ADAM28相邻。系统发育分析首次鉴定出SVMP12这一蝰蛇亚科特有新基因，可能由SVMP13复制产生。在9号染色体上，8个蛇毒丝氨酸蛋白酶(SVSPs)呈现亚科特异性扩张，其中6个基因构成"第3进化枝"，暗示其在真蝰蛇中的特殊功能分化。令人意外的是，虽然17号染色体上PLA₂
毒素基因仅有两个拷贝(PLA₂
-gD和PLA₂
-gC)，远少于相关物种，但其在毒液中仍占5.47%含量。

多组学联用策略大显身手：转录组分析23个组织样本(含毒腺)鉴定出7,237个表达基因，其中161个在毒腺显著上调。结合TPM>500和特异性表达标准，最终锁定10个核心效应毒素——包括SVMP9/10/13、SVSP4/5/7/8等，与蛋白质组结果高度吻合(图3)。质谱分析显示毒液主要成分为SVSPs(37.38%)和SVMPs(22.19%)，与基因拷贝数正相关，而三指毒素(3FTxs)在基因组和蛋白质组中均未检出。

种群历史分析揭示环境驱动进化：PSMC模型显示该物种有效种群大小在倒数第二次冰期(1.94-1.35 Mya)显著扩张，与阿拉伯半岛干旱化进程同步。基因组杂合度分析表明其遗传多样性与其他医疗重要毒蛇相当，印证了该物种适应极端环境的能力。

这项发表于《GigaScience》的研究具有三重突破性意义：其一，提供首个蝰蛇亚科染色体水平基因组，填补了毒蛇进化研究的关键空白；其二，通过"基因组-转录组-蛋白质组"三维互证，阐明基因复制是蛇毒创新的核心驱动力；其三，发现的环境-基因组协同进化模式，为理解生物适应性提供新视角。特别值得注意的是，SVMP12等"沉默"毒素基因的发现，提示基因组中可能隐藏着大量未开发的药用前体分子，为下一代抗蛇毒血清和神经药物研发指明新方向。