转座元件串联插入介导的染色体倒位：大西洋鳕鱼适应性进化的分子机制

本研究针对大西洋鳕鱼(Gadus morhua)四个大型染色体倒位的形成机制展开研究。通过构建高质量长读长参考基因组，研究人员发现1、7和12号染色体倒位断点区域富含具有末端反向重复序列(TIRs)的转座元件(TEs)，特别是在北极鳕(NEAC)品系中检测到hAT转座子家族来源的微型反向重复转座元件(MITEs)的串联积累。研究证实这些转座元件通过异位重组(ectopic recombination)驱动了染色体倒位的形成，为理解结构性变异在适应性进化中的作用提供了新见解。

　　

在生物进化过程中，染色体倒位（chromosomal inversions）作为重要的基因组结构变异，通过维持共适应等位基因的连锁关系，对物种表型多样性和适应性进化产生深远影响。大西洋鳕鱼（Gadus morhua）作为研究适应性进化的模式生物，其不同生态型（如迁徙性的东北北极鳕NEAC和定居型的挪威沿海鳕NCC）的显著表型差异与四个大型染色体倒位密切相关。然而，这些倒位形成的分子机制及其在适应性进化中的具体作用机制仍不清楚，特别是转座元件（transposable elements, TEs）是否以及如何参与倒位形成的过程尚待阐明。

为回答这些问题，Robin Aasegg Araya等研究人员在《Genome Biology and Evolution》发表了题为"Chromosomal Inversions Mediated by Tandem Insertions of Transposable Elements"的研究论文。该研究利用三种鳕鱼生态型（NEAC、NCC和凯尔特鳕）的高质量长读长参考基因组，系统分析了1、2、7和12号染色体倒位断点区域的转座元件特征，揭示了特定类型转座元件通过异位重组介导染色体倒位形成的分子机制。

研究主要采用了以下关键技术方法：1）基于PacBio HiFi和Oxford Nanopore长读长测序技术构建染色体水平参考基因组；2）使用RepeatModeler2和MCHelper等工具构建物种特异性转座元件数据库并进行人工校正；3）通过全基因组比对（minimap2）和结构变异分析（SyRi）精确定位倒位断点；4）采用TE-Aid分析转座元件结构特征；5）对58个鳕鱼个体进行群体水平的HiFi测序验证断点保守性。

【Inversion Breakpoints Are Associated with Accumulations of Specific TE Superfamilies】

研究发现倒位断点区域存在特定转座元件超家族的显著富集。通过比较断点区域与非断点区域的转座元件密度，发现7号和12号染色体倒位的衍生单倍型（derived haplotypes）断点区域转座元件密度显著高于染色体平均水平（P值分别为5.42×10^-5和6.4×10^-6）。特别值得注意的是，7号染色体倒位断点区域微型反向重复转座元件（MITEs）密度高达6.5%，远高于染色体平均水平的0.4%。

【Closely Related TEs Occupy Both Breakpoints of All Four Inversions in Atlantic Cod】

研究揭示所有四个倒位的两个断点区域都存在相同家族的转座元件。通过断点对的点阵图（dot plot）分析发现，这些共享的转座元件家族包括DNA转座子（如hAT家族）和反转录转座子（如Ty3/Metaviridae家族）。统计分析表明，在随机基因组区域中同时出现长于1,000bp的相同家族转座元件的概率极低（<0.2），而所有倒位断点都发现了这种长片段同家族转座元件的聚集。

【Accumulation of hAT transposons in Chromosome 1 and 7 Breakpoints: Evidence for Tandem MITE Insertions】

研究在1号和7号染色体倒位断点发现了hAT转座子家族的特殊积累模式。其中gadMor-hAT-1784和gadMor-hAT-8043两个亚家族在衍生单倍型断点形成串联重复结构，平均长度分别为1,334-5,838bp。结构分析表明gadMor-hAT-1784具有约600bp的反向重复序列（TIRs），由多个167-169bp的串联重复单元组成，且缺乏转座酶编码区，符合非自主型MITE的特征。这两个亚家族遵循80-95-98规则，被确认为源自同一祖先hAT家族的不同亚家族。

【Inversion Breakpoints on Chromosome 2 Contain Heterogenous TE Family Landscapes】

与其它染色体不同，2号染色体倒位断点呈现异质性转座元件景观。研究发现该倒位的两个单倍型（ancestral和derived）断点区域共享多个反转录转座子家族（如gadMor-Ty3/Metaviridae-342），这些元件平均序列差异达31.1%，提示它们可能是倒位形成前就已存在的古老转座元件拷贝。群体水平分析显示这些断点转座元件在58个测序个体中高度保守。

研究结论与讨论部分指出，这项工作首次系统揭示了大西洋鳕鱼四个大型染色体倒位形成的分子机制。研究证实转座元件通过异位重组而非非同源末端连接（NHEJ）介导了这些倒位的形成，特别是hAT来源的MITEs的串联重复结构为倒位形成提供了分子基础。这些发现具有三方面重要意义：首先，解释了不同鳕鱼生态型（如NEAC和NCC）基因组结构差异的分子起源；其次，为理解转座元件在基因组结构变异和适应性进化中的作用提供了典型案例；最后，建立的研究方法（如物种特异性转座元件库构建和断点精细定位）为其它物种类似研究提供了参考。

该研究的创新性在于：1）首次在鱼类中证实特定转座元件家族（hAT-MITEs）通过形成长串联重复结构促进染色体倒位；2）揭示了不同染色体倒位可能通过不同分子机制形成（如1/7号染色体主要涉及DNA转座子，而2号染色体更多与反转录转座子相关）；3）群体水平分析证实断点转座元件结构的保守性，支持其在适应性进化中的重要作用。这些发现深化了对基因组结构变异形成机制的理解，为研究物种适应性进化提供了新的分子视角。