蜚蠊目中与社会转变相关的转录因子进化

《Journal of Molecular Evolution》：Transcription Factor Evolution Associated with Social Transitions in Blattodea

　　

社会物种中不同等级之间的表型多样性一直与基因表达调控的增强有关。虽然转录因子（TFs）在膜翅目（Hymenoptera，蜜蜂、蚂蚁和黄蜂）社会转变中的调控作用已得到充分研究，但在蜚蠊目（Blattodea，蟑螂和白蚁）中仍鲜有探索。通过分析三个蟑螂和五个白蚁的基因组，研究人员表明，虽然蜚蠊目与膜翅目共享一些趋同的调控特征，但其转变主要以独特的调控变化为特征。研究人员鉴定了趋同模式，例如与加强选择相比，更放松选择的TF家族，以及白蚁中谱系特异性的基因家族扩张，这在膜翅目中也有报道。与膜翅目相比，蜚蠊目TF调控也存在关键差异，包括TF基因家族收缩，以及在TF启动子区域中TF DNA结合基序（DNA binding motifs）的频率或多样性上没有补偿性变化。此外，研究人员表明，社会复杂性的增加与TF激活域（activating domain，TFs的进化和结构构建块之一）的更大多样性相关；而DNA结合域（DNA-binding domain）则变化很小。这项研究强调了膜翅目和蜚蠊目在社会转变中的相似性，证据表明转录调控发生巨大变化，随后是谱系特异性适应。研究人员的结果表明，至少在蜚蠊目中，与社会复杂性相关的转录多样性不能仅归因于转录因子，而可能是由其他机制共同驱动的。

**论文解读：蜚蠊目中与社会转变相关的转录因子进化**

**研究背景与问题**

社会性进化是生命演化中的重要转变，其中真社会性（eusociality）——个体放弃自身繁殖能力以合作形成更复杂群体——在多种类群中独立出现，包括哺乳动物、甲壳动物和昆虫（如膜翅目的蜜蜂、蚂蚁、黄蜂以及蜚蠊目的白蚁）。膜翅目因其社会性起源多次、研究历史较长而主导了真社会性研究；而蜚蠊目（包含蟑螂和白蚁）提供了一个独特的比较模型，因为真社会性在白蚁中仅起源一次，且社会复杂性从独居、群居到亚社会性、原始真社会性和高度真社会性呈连续谱系。蜚蠊目与膜翅目在生物学上存在根本差异：蜚蠊目为半变态（hemimetabolous），白蚁群体由二倍体雄性和雌性组成，并具有XY性染色体；而膜翅目为全变态（holometabolous），群体基于单倍二倍体系统。这些差异使蜚蠊目成为区分社会进化中普遍分子特征与分支特异性特征的必需类群。

目前，膜翅目中转录因子（TFs）在社会转变中的调控作用已得到充分研究，显示TF结合位点富集和特定基因家族扩张的趋同模式。然而，蜚蠊目中TFs的进化变化及其与社会复杂性的关联尚不清楚。已有研究表明白蚁基因组比蟑螂更小，并在离子型受体（ionotropic receptors）等基因上存在选择性扩张，但关于调控区域变化的系统性研究仍然缺乏。因此，开展这项研究旨在鉴定蜚蠊目中与社会进化相关的TFs及其调控潜力的进化变化，并与膜翅目进行比较，以构建更全面的社会进化遗传调控变化图景。

**研究方法**

研究人员利用8个已发表的蜚蠊目基因组（3种蟑螂：德国小蠊*Blattella germanica*、太平洋折翅蠊*Diploptera punctata*、美洲大蠊*Periplaneta americana*；5种白蚁：内华达古白蚁*Zootermopsis nevadensis*、隐白蚁*Cryptotermes secundus*、黄胸散白蚁*Reticulitermes speratus*、家白蚁*Coptotermes formosanus*、纳塔尔大白蚁*Macrotermes natalensis*），以及2个外群物种（西方花蓟马*Frankliniella occidentalis*和苹果绵蚜*Eriosoma lanigerum*）。主要关键技术方法包括：①基于70个DNA结合PFAM结构域（PFAM domains）从长异构体蛋白质序列中鉴定潜在TFs，并通过Orthofinder2构建直系同源群（orthogroups）；②使用GUIDANCE和MAFFT进行氨基酸多序列比对，并转换为核酸序列；③利用CAFE5分析基因家族扩张和收缩，使用RELAX、aBSREL和MEME分别检测分支特异性放松选择、正选择和位点特异性间歇性多样化选择；④通过DomRates分析蛋白质结构域重排事件，并构建贝叶斯负二项系统发育模型（Bayesian negative binomial phylogenetic model）分析结构域数量与基因家族大小的关系，加入社会性指数（solitary, gregarious, primitively eusocial, highly eusocial）作为修饰因子；⑤提取基因上游2000 bp启动子区域，使用JASPAR昆虫特异性TF结合基序数据库，通过XSTREME和SEA鉴定基序富集，并计算香农多样性指数（Shannon diversity index）。

**研究结果**

**TF和直系同源群鉴定**：通过鉴定得到12,630个潜在TFs，最终确定1621个包含潜在TF的直系同源群用于后续分析。

**选择**：在45个单拷贝直系同源基因中，RELAX鉴定出7个基因经历放松选择（relaxed selection），无基因经历加强选择（intensified selection）。其中4个基因在DNA结合域存在变异，如锌指蛋白Klumpfuss（涉及神经母细胞识别）和细胞色素c氧化酶组装因子10（Cox10，涉及血红素生物合成和呼吸作用）等。aBSREL鉴定出1个基因（Lim3，锌指和同源域转录因子，调控神经元亚型，特别是运动神经元身份）在两个白蚁分支（*R. speratus*和*C. secundus*）上处于正选择（positive selection）。MEME鉴定出22个位点经历位点特异性间歇性多样化选择，其中5个位点经历间歇性正选择，17个位点经历纯化选择（purifying selection）。放松选择和正选择的基因共享相似功能，在神经发育和记忆形成中起关键作用，如tango、klumpfuss、Lim3和CrebB。

**基因家族变化**：在白蚁起源处，有28个基因家族收缩和6个基因家族扩张。在所有白蚁分支中，显著收缩（75个）显著多于显著扩张（63个）。四个白蚁物种的末端分支有更多收缩，扩张是谱系特异性的（lineage-specific）。21个直系同源群只收缩，9个只扩张。扩张的家族包括Neuroectoderm-expressed 2、Rfx、elbow b、noc和gemini等。GO富集分析未显示收缩直系同源群的特定功能富集。

**PFAM动态**：热图显示DNA结合域数量在白蚁中没有明显增减。DomRates分析未显示白蚁起源处有结构域重排，但白蚁末端分支有频繁结构域变化。系统发育模型分析显示，最佳拟合模型（基于独特蛋白质域）包括社会性指数与激活域的修饰效应。当物种从独居/群居向原始真社会性/高度真社会性转变时，独特激活域数量与直系同源群基因数量之间的正相关关系增强，表明社会性物种的TF基因家族中拥有更多独特激活域。

**DNA结合基序**：蟑螂的TF启动子区域基序富集比白蚁更多样，但考虑了TF数量差异后，蟑螂和白蚁之间在TF启动子和其他基因启动子中的基序多样性差异均不显著（p值分别为0.75和0.69）。

**讨论与结论**

讨论部分指出，与膜翅目不同，社会性白蚁未显示启动子基序富集或多样性的显著增加，即TF结合位点可用性的增加并非调控多样性增加的必然来源。相反，调控多样性通过改变结构域（尤其是激活域变异）产生，表明上游信号通路调控已发生变化和多样化。白蚁TF数量的减少（图1）并未伴随TF启动子调控的补偿性增加（图4），这与社会性转变可能需要整体调控变化而非特异性TF调控增强的观点一致。在膜翅目和蜚蠊目中均观察到先出现大规模调控变化（在蜚蠊目中表现为减少而非扩张），随后发生谱系特异性适应的模式。放松选择在蜚蠊目社会谱系中比加强选择更普遍，与全基因组研究一致，其中涉及神经发育和记忆形成的基因（如vri和snoo调控的dpp通路与白蚁工蚁幼态持续相关）受到放松选择。

研究结论翻译如下：总之，虽然膜翅目显示转录调控随TF结合位点增加而增加，但蜚蠊目则相反，富集位点更少（特别是在TF启动子中），TF数量更少，尤其是那些失去激活域的TF。然而，这两个目共享谱系特异性变化的模式，社会物种更可能在含有TF的基因家族中拥有更多独特的DNA激活域（图3B）。此外，必须考虑的是，与膜翅目相比，蜚蠊目中可研究的物种数量差异以及基因组质量的变异。*M. natalensis*作为数据集中唯一的高等白蚁，其相关模式应谨慎解释，可能反映物种特异性或注释效应。未来研究需要结合多种调控机制（如转座子、水平基因转移）来更全面地理解社会转变。