洞螈转录组揭示其进化与基因表达特征：为长寿与洞穴适应机制提供新见解

研究人员通过首次构建洞螈(Proteus anguinus)的混合转录组(结合Illumina短读长和Oxford Nanopore长读长技术)，解析了六种器官的基因表达谱和选择压力特征。研究发现大脑具有最多器官特异性表达基因，且脑特异性基因与强负选择基因显著重叠；鉴定出NDUFS4等53个正选择基因(dN/dS>1)和1180个强负选择基因(dN/dS<0.1)，发现线粒体翻译等通路在长寿物种中呈现趋同进化。该研究为理解极端寿命和洞穴适应的分子机制提供了重要资源。

　　

在黑暗的洞穴深处，生活着一种被称为"洞螈"(Proteus anguinus)的神秘生物。作为欧洲唯一的洞穴脊椎动物，这种终生保持幼态特征(neoteny)的两栖动物拥有令人惊叹的寿命——预测最长寿命超过100年，使其成为现存最长寿的两栖动物。然而，关于这种小型生物(体长仅30厘米)如何实现如此极端寿命的分子机制，科学界知之甚少。更令人困惑的是，洞螈还表现出对黑暗环境的独特适应特征，如代谢率降低和视觉退化，这些特征与长寿之间可能存在怎样的关联？

为了解开这些谜团，来自德国莱布尼茨动物园与野生动物研究所(Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research)的Susanne Holtze团队联合多个欧洲研究机构，首次构建了洞螈的全面转录组图谱。研究人员通过对六种器官的基因表达分析和比较基因组学研究，揭示了这种神奇生物的分子适应特征。相关成果发表在《Scientific Reports》上，为理解极端寿命和环境适应的进化机制提供了新视角。

研究团队采用了多项关键技术：从克罗地亚洞穴收集的3只洞螈个体中获取脑、肠、心脏、肝脏、肺和皮肤样本；结合Illumina短读长(每个样本>6000万读长对)和Oxford Nanopore长读长技术(产出966万条高质量长读长)进行杂交组装；使用Trinity软件构建包含541,591条转录本(N50=1,402碱基)的转录组；通过BUSCO评估显示组装完整性达93.9%；采用PosiGene进行正选择分析；基于AlphaFold预测蛋白质结构；并建立了交互式网络服务器展示数据。

De novo转录组组装

研究团队成功构建了首个洞螈杂交转录组，包含40,749条注释转录本(N50=3,313碱基)，对应18,924个蛋白质编码基因。与NCBI上其他两栖动物转录组相比，该组装显示出93.9%的完整性，显著优于之前仅基于560万读长的组装(完整性27.4%)。

基因表达图谱

器官聚类分析显示，相同器官的样本总是优先聚在一起，其中脑样本与其他器官差异最大。大脑表现出最多器官特异性表达基因(1,152个)，显著多于其他器官(如肝脏仅194个)。基因本体(GO)富集分析发现，各器官特异性基因与其功能高度一致，如皮肤中"表皮发育"、心脏中"肌肉收缩"等通路显著富集。

正选择和负选择分析

比较基因组分析发现，洞螈谱系中COL4A5基因(编码IV型胶原蛋白α5链)受到显著正选择(FDR<0.05)。该基因对肾脏过滤和听力功能至关重要。此外，NDUFS4基因(线粒体复合物I亚基)显示出异常高的d_N/d_S比值(14.6)，其139位点的丙氨酸替代(其他物种均为丝氨酸)可能通过改变β-折叠结构影响线粒体功能。系统分析还发现1,180个基因受到强负选择(d_N/d_S<0.1)，远多于正选择基因(53个)。

通路水平选择特征

基因集富集分析(GSEA)显示，"发育"、"形态发生"等73个GO条目受正选择影响，而"神经元分化"等1,344个条目受负选择影响。特别值得注意的是，脑特异性表达基因与负选择基因显著重叠(p=0.002)，这些基因主要参与"化学突触传递调控"等神经功能。线粒体翻译等与长寿相关的通路在洞螈中显示出正选择信号，与裸鼹鼠等长寿物种的发现一致。

这项研究首次提供了洞螈的全面转录组资源，揭示了其极端寿命和洞穴适应的潜在分子机制。研究发现脑特异性基因受到最强的进化约束，而线粒体功能等通路可能通过正选择促进了长寿表型。这些发现不仅拓展了我们对极端寿命进化机制的理解，也为比较基因组学研究提供了宝贵资源。特别值得注意的是，洞螈中发现的适应性变化与其它长寿物种存在显著相似性，暗示不同谱系可能通过趋同进化发展出类似的延长寿命策略。未来研究可通过增加样本量和纳入近缘物种(如普通泥螈)进一步验证这些发现。该研究建立的交互式网络服务器(http://comp-pheno.de/olm)将使科学界能够更深入地探索这一独特生物的分子奥秘。