鲸类特异性保守非编码元件的进化揭示其在二次水生适应中肢体形态改变的作用

本研究针对鲸类二次水生适应过程中肢体形态改变（如鳍状前肢和后肢退化）的分子机制这一关键科学问题，通过比较基因组学鉴定了与肢体发育相关的鲸类特异性保守非编码元件（CNEs）。研究人员发现这些CNEs存在谱系特异性序列分化（核苷酸突变和插入缺失），导致肢体发育相关转录因子结合位点丢失和自调控活性显著改变。通过构建携带鲸类特异性增强子hs1586的转基因小鼠模型，结合表观基因组和转录组分析，证实这些序列变异可影响肢体发育。该研究为理解鲸类肢体形态变化的复杂分子机制提供了新视角，发表在《BMC Biology》杂志。

　　

在漫长的进化历程中，鲸类从陆地重返海洋的二次水生适应堪称生命演化的奇迹。这一过程中最引人注目的形态改变莫过于前肢演化为鳍状肢、后肢几乎完全退化。然而，这些惊人变化的分子机制长期以来困扰着进化生物学家。传统研究多聚焦于功能基因的变异，但近年来，非编码调控元件在形态进化中的作用日益受到重视。特别是保守非编码元件（CNEs），这些在物种间高度保守的DNA序列虽不编码蛋白质，却能在特定时空精确调控基因表达，堪称生命蓝图的"暗物质"。

南京师范大学长江中下游生物多样性保护与利用江苏省重点实验室的研究团队在《BMC Biology》发表论文，通过创新性的多学科交叉研究，揭示了鲸类特异性CNEs在肢体形态改变中的关键作用。研究人员采用比较基因组学筛选、转基因动物模型构建和多重组学分析等技术手段，系统研究了CNEs序列变异与鲸类肢体发育的关系。

关键技术方法包括：1) 对38种代表性哺乳动物（26种海洋和12种陆地）进行全基因组比对，鉴定鲸类特异性CNEs；2) 利用ENCODE数据库的ChIP-seq数据进行功能注释；3) 通过双荧光素酶报告系统验证CNEs调控活性变化；4) 采用CRISPR/Cas9技术构建携带鲸类hs1586增强子的转基因小鼠模型；5) 结合RNA-seq和CUT&Tag技术进行转录组和表观组分析。

研究结果部分：

背景：通过系统发育分析筛选出333，341个CNEs，其中6，268个在鲸类中表现出特异性序列分化。与肢体发育相关的H3K27ac标记的CNEs在肢体芽起始阶段（E10.5）最为富集。

结果：功能注释显示这些CNEs关联的基因显著富集于肢体发育相关的生物学过程。转录因子预测发现鲸类CNEs丢失了Pitx1、Shox2等关键肢体发育转录因子的结合位点。双荧光素酶实验证实鲸类同源CNEs（如hs1586、CNE622等）的调控活性显著改变。

转基因小鼠模型：携带鲸类hs1586的转基因小鼠在胚胎10.5天（E10.5）表现出前肢芽显著增大，伴随674个差异表达基因，包括Shh、Fgf4、Fgf8等肢体发育关键基因。表观组分析显示野生型小鼠在Gli3基因内含子区有17个激活的增强器，而转基因小鼠仅有4个。

讨论与结论：研究表明鲸类CNEs的序列分化可能导致转录因子结合位点丢失和调控活性改变，进而影响肢体发育。虽然转基因小鼠的表型在E11.5后恢复，提示小鼠基因组存在增强子冗余的补偿机制，但这恰恰说明鲸类肢体形态变化可能是多个CNEs协同作用的结果。该研究不仅为理解鲸类水生适应的分子机制提供了新见解，也为动物形态进化的非编码调控机制研究树立了范例。未来结合Hi-C等高通量技术，进一步解析CNEs的三维调控网络，将有助于更全面揭示肢体形态进化的奥秘。