反复由红转绿：祖先型LWS重复驱动真骨鱼类趋同视觉调谐

《Molecular Ecology》：Turning Red to Green Repeatedly: Ancestral LWS Duplications Drive Convergent Visual Tuning in Teleost Fishes

　　

光色素（photopigments）由结合光敏发色团（chromophore）的视蛋白（opsin）形成，是脊椎动物视觉的基础。长波长敏感（LWS）视蛋白介导红光检测，多数真骨鱼类保留一个功能性LWS1。一种向短波偏移的绿敏感旁系同源基因（paralog；LWS2）仅见于少数谱系。通过挖掘真骨鱼类基因组并测序视网膜转录组（retinal transcriptomes），研究人员鉴定海鲢系（elopomorphs）是除脂鲤类（characins）和骨舌鱼系（osteoglossomorphs）之外另一保留LWS2的谱系。令人意外的是，研究人员揭示了一个此前被忽视、向短波偏移的旁系同源基因LWS3，其局限于虾虎鱼类（gobies；Percomorpha），并源于真骨鱼类祖先或鲈形类（Percomorpha）祖先中的一次祖先型重复。对12个LWS视蛋白的结构建模显示，视网膜结合口袋（retinal-binding pocket）中4个关键氨基酸位点（214、259、261、269）发生趋同进化，表明人MWS（middle-wavelength-sensitive，中波长敏感；旧世界灵长类特有的脊椎动物LWS1重复副本）、真骨鱼类LWS2和虾虎鱼LWS3相对于红敏感对应物发生趋同替换，这与向更绿波长反复发生光谱偏移相一致。在脂鲤类、长颌鱼类（mormyrids）、虾虎鱼类和灵长类等多个谱系中，这些短波偏移LWS视蛋白至少部分替代了经典绿敏感RH2（rhodopsin-like 2）型视觉色素。视网膜转录组显示，成年虾虎鱼类中lws3表达可变，在多数物种中与lws1互补，或在Sicydiinae中主导视觉视蛋白表达谱。在白条虾虎鱼（whitebarred goby；Amblygobius phalaena；Valenciennes, 1837）中的原位杂交（in situ hybridisation）显示，lws1和lws3分别表达于双锥细胞（double-cone）的不同成员中，类似其他鱼类的rh2表达。总之，这些结果表明，脊椎动物进化中反复趋同至较短波长LWS敏感性涉及分子、调控和功能层面的协同变化，提供了多层级感觉适应的显著例证。

研究背景方面，动物视觉依赖视网膜光感受器外段中的光色素（photopigments），其由视蛋白（opsin）与维生素A衍生发色团（chromophore）共价结合形成。脊椎动物祖先已有5类视觉视蛋白，分别介导暗光视觉和亮光下的颜色与运动视觉；真骨鱼类视蛋白基因持续增殖，基因重复、结构变化和表达变化影响其视觉。LWS视蛋白介导红端光谱检测，多数真骨鱼类仅有单个功能性LWS1，LWS2仅在少数谱系被报道，且其光谱敏感性向更短、更绿波长偏移。已有研究显示，lws重复后占据绿光生态位在多个类群反复出现，但真骨鱼类中此类基因数量有限，且远缘脊椎动物类群中绿敏感LWS视觉色素的趋同机制尚待解析。因此，研究人员以100余种系统发育代表性取样，结合基因组与视网膜转录组测序及公开数据挖掘，重建真骨鱼类lws视蛋白进化史，旨在揭示lws重复、丢失、基因转换及短波偏移的重复进化，并比较鱼类LWS2/LWS3与人MWS的蛋白层面趋同特征。该研究的重要意义在于发现lws3这一此前未被认识的祖先型重复，并显示祖先重复可在长期基因组重排和调控分化后仍被招募以扩展视觉功能，为理解感觉系统多层级趋同适应提供例证。

关键技术方法概括（≤250字）：研究人员整合公开基因组数据与20种代表鱼类的视网膜转录组，样本包括澳大利亚Lizard Island采集的whitebarred goby（Amblygobius phalaena；Valenciennes, 1837）和Dawson River采集的Oxyeleotris lineolata、捷克Elbe River采集的Neogobius melanostomus，以及水族贸易来源的7种虾虎鱼；部分Amblygobius phalaena和Epibulus insidiator数据来自已发表样本。关键技术包括全基因组lws基因挖掘与共线性分析、视网膜转录组测序及视蛋白表达定量、lws基因系统发育与祖先状态重建、基因转换分析、lws上游调控元件与miRNA分析、OPTICS光谱敏感性预测与Boltz蛋白结构建模、双色荧光原位杂交。

研究结果部分，3.1 Lws Gene Duplications and Synteny（lws基因重复与共线性）：基于109个真骨鱼基因组并加入辐鳍鱼、肉鳍鱼及若干祖先型鱼类外群，研究人员确认多数真骨鱼具有一个红敏感lws1；海鲢类保留lws2，且该拷贝与3R有关；虾虎鱼类具有第三个祖先型lws3。lws3起源存在三种情景，现有数据分辨率不足，不能偏向任一情景，但均支持lws3祖先起源位于真骨鱼或鲈形类祖先。系统发育还提示部分四足动物和肺鱼lws聚类于真骨鱼lws分支内，但支持值低，需更广泛四足动物采样。共线性分析显示lws1基因组环境高度保守，lws2共线性保守性降低，海鲢两个lws2区域分别与骨舌鱼系和脂鲤类相似，提示真骨鱼祖先有两个lws2旁系同源基因；虾虎鱼lws3位于不同基因组区域，与其他lws缺乏可检测保守共线性。调控元件分析显示lws2和lws3上游缺乏经典lws1转录因子结合位点，miRNA信号折叠能低且与miR726相似性有限，提示这些旁系同源基因具有不同调控架构。

3.2 The Dynamics of the Lws Evolutionary History（lws进化史动态）：多数浅海和淡水鱼保留至少一个lws1，而许多深居类群丢失lws基因，符合长波长随深度快速衰减、lws在深水环境功能上趋于无效的模式。lws1重复常见于红移或视觉复杂环境及使用橙黄色特征的谱系，可通过谱系特异性全基因组重复或串联重复产生，部分物种可达5个lws1旁系同源基因。基因转换方面，研究人员在海鲢lws1与lws2的外显子3发现转换证据，并在孔雀虾虎鱼T. ocellicauda的lws1与lws3间检测到转换；其余虾虎鱼转换模式不显著，提示转换发生较早、lws3重复后快速分化，后续转换主要影响编码序列5′端，而含光谱调谐位点的外显子相对未受影响。

3.3 Convergent Red to Green(Er)-Sensitivity Shifts in Vertebrate LWS Visual Pigments（脊椎动物LWS视觉色素红至绿敏感性的趋同偏移）：研究人员对6个物种的12个LWS视蛋白进行结构建模，聚焦视网膜结合口袋内10个可变位点。结果识别Y261F、T269A和F259L在人与真骨鱼LWS视蛋白间显示趋同特征，位点214以不同氨基酸替换持续区分绿敏感与红敏感视蛋白；LWS2与LWS3还共享L88V、A118S、Q201K、270位可变、A275S及164位变化。对164、261、269三个关键调谐位点的祖先状态重建显示，LWS1主要保留长波偏移残基以维持红敏感，LWS2主要携带短波偏移变体，LWS3呈中间模式：261位在所有虾虎鱼中短波偏移，164位在物种间可变，269位仅在弹涂鱼中短波偏移。OPTICS机器学习预测显示，虾虎鱼LWS1的λ_max为551.9–567.3 nm，LWS2为517–529 nm，LWS3为523–557 nm；研究未包含生理测量，但预测值与其他虾虎鱼报道的短波偏移双锥细胞λ_max（527–531 nm或约531 nm）大体重叠。

3.4 Neofunctionalization of LWS3 in Gobies（虾虎鱼LWS3的新功能化）：视网膜表达分析显示，海鲢、长颌鱼科和脂鲤类同时表达lws1与lws2，虾虎鱼类同时表达lws1与lws3，且表达模式种间差异明显。对10种虾虎鱼（9属、多数主要亚科）的视网膜转录组比较显示，多数类群lws1表达最高，5种不同程度表达lws3；Sicydiinae为例外，S. ornatus主要表达lws3，S. rubicundus仅表达lws3。所有虾虎鱼至少表达一个sws2拷贝，但Sicydiinae和E. pisonis中水平较低；绿敏感RH2一般缺失或仅痕量表达，Sicydiinae中rh2表达与其它虾虎鱼sws2水平相当。结合LWS3预测的绿移敏感性及对rh2依赖降低，结果支持在所测成年虾虎鱼中LWS3功能上替代RH2介导的绿视觉，并支持lws3新功能化。在成年Amblygobius phalaena中，荧光原位杂交显示lws1与lws3分别专一表达于双锥细胞相反成员，sws2视蛋白（sws2b和sws2aβ）则专一表达于单锥细胞；Sws2aβ几乎表达于所有光感受器，sws2b表达可变且常较低，导致同一单锥细胞内部分共表达。该细胞分离表明lws3在成年Amblygobius phalaena中获得独立光感受器角色，并与其他视锥细胞共同可能支撑三色视觉。

讨论与结论总结：该研究重建辐鳍鱼类lws视蛋白进化史，表明反复的基因重复、分化与差异保留产生了三个祖先型lws旁系同源基因——lws1、lws2和lws3；尽管发生广泛基因组重排和调控分化，它们在现存谱系中仍具功能。lws3的发现揭示了此前未被认识的感觉多样性，并表明祖先型重复基因可在起源很久后被反复招募以扩展视觉功能。在虾虎鱼中，LWS3发生新功能化，其敏感性预测较LWS1向短波偏移，并至少在成体标本中功能上替代经典绿敏感视蛋白RH2；这一角色可能类似LWS2在骨舌鱼系、海鲢系和脂鲤类中的作用，并镜像灵长类色觉中lws重复后在哺乳动物祖先丢失rh2基础上演化出绿敏感视锥。上述系统中，关键光谱调谐位点的趋同氨基酸替换支撑平行功能转变，突显相似选择压力下共同分子解决方案。总体而言，真骨鱼类视蛋白基因进化异常动态，祖先基因重复作为感觉创新反复底物；该灵活性与其它脊椎动物更受限的视蛋白基因库形成对比，显示比较基因组与功能方法揭示视觉系统进化隐藏层面的能力。