《Nature》：Insights into longevity and virus-driven adaptation from Myotis bat genomes
编辑推荐：
Myotis属是蝙蝠中最大的分支之一，其寿命在哺乳动物中表现出最极端的变异范围，同时具有独特的病毒耐受和免疫防御适应性。研究人员为研究这些表型的进化机制，为八个亲缘关系密切的Myotis物种生成了细胞系和近乎完整的基因组组装。通过全基因组正选择筛选、结构变异分
Myotis属是蝙蝠中最大的分支之一，其寿命在哺乳动物中表现出最极端的变异范围，同时具有独特的病毒耐受和免疫防御适应性。研究人员为研究这些表型的进化机制，为八个亲缘关系密切的Myotis物种生成了细胞系和近乎完整的基因组组装。通过全基因组正选择筛选、结构变异分析和原代细胞功能实验，研究人员鉴定了有助于长寿、癌症抵抗和病毒互作的适应模式。研究人员证明了与所有其他哺乳动物相比，蝙蝠对DNA病毒和RNA病毒存在截然不同的适应模式，蝙蝠表现出DNA病毒互作蛋白正选择的全基因组过表达，以及RNA病毒互作蛋白拷贝数变异率的升高。对关键免疫因子EIF2AK2（又称PKR）的Myotis特异性重复的表征揭示了多个古老的分离跨物种拷贝数多态性。研究人员证明Myotis中反复出现的寿命进化与癌症通路中的正选择相关，并在长寿的Myotis lucifugus原代细胞中展示了独特的DNA损伤应答。总之，研究结果表明蝙蝠显著的长寿和免疫力通过病毒与衰老相关疾病的多效性适应而相互关联。
**研究背景与问题**
蝙蝠（翼手目）约占已知哺乳动物物种的20%，是哺乳动物中表型最多样化的分支之一。自6000万年前出现以来，许多蝙蝠谱系独立进化出多种生活史策略和表型特征，包括异常的长寿、病毒耐受和免疫防御。Myotis属是蝙蝠中最大的属，约3300万年前出现，包含超过139个已描述物种，分布于六大洲和多种生态位。Myotis物种表现出哺乳动物中最极端的寿命变异，最长寿物种（Myotis brandtii，42年）与最短寿物种（Myotis nigricans，7年）之间的寿命差异达六倍，二者分化约1060万年前。此外，Myotis物种代表了蝙蝠显著的免疫机制，能够实现病毒耐受和病原体抵抗，使其成为关键的人畜共患病毒储存库。然而，这些复杂表型背后的遗传机制尚不清楚，尤其是快速进化的宿主-病原体互作表型。
**研究内容与主要结论**
研究人员采用整合的野外-功能基因组学方法，为八个Myotis物种生成了近乎完整的基因组组装，并建立了用于功能验证的原代细胞培养资源。研究发现与RNA病毒耐受和应激反应相关的拷贝数变异基因，以及关键免疫因子PKR的跨物种拷贝数多态性。与Myotis相对于其体型的极端寿命一致，研究人员鉴定了与长寿和癌症相关过程基因的选择性进化特征。与人类和其他灵长类动物中病毒适应由RNA病毒互作驱动不同，研究发现蝙蝠对DNA病毒和RNA病毒的适应模式不同。研究结果表明，Myotis蝙蝠的寿命和免疫表型存在多效性适应。
**主要技术方法**
研究采用PacBio HiFi长读长测序结合HiC支架技术，为八个北美Myotis物种生成单倍型解析的染色体水平基因组组装。样本来源于亚利桑那州和加利福尼亚州的野外捕获个体，包括皮肤活检组织和原代细胞系。研究使用BUSTED-MH和aBSREL进行正选择检测，SyRI进行结构变异分析，CAFE分析基因拷贝数变化，并通过NCS处理原代皮肤成纤维细胞评估DNA双链断裂耐受性，采用荧光素酶报告实验、共免疫沉淀和病毒感染实验表征PKR功能。
**研究结果**
**八个近乎完整的Myotis基因组组装**
研究人员从北美物种中收集皮肤活检组织并建立原代细胞系，包括最长寿蝙蝠之一M. lucifugus。通过PacBio HiFi测序和HiC支架技术，为八个物种生成了从头单倍型解析的染色体水平基因组组装。这些基因组高度连续且近乎完整，平均98.6%的核苷酸组装到22-23条同线性染色体支架中；平均质量值评分为66；contig NG50值是目前所有翼手目基因组中最高的之一。每个基因组平均鉴定出20,869个具有哺乳动物同源物的蛋白编码基因，BUSCO评分范围为98.2%-98.5%。在八个基因组中，每条常染色体至少在一个物种中完全组装为端粒到端粒（T2T）状态。
**丰富的结构变异**
在紧密保守的Myotis核型背景下，研究人员调查了结构变异的景观。除60多个研究物种中的6个例外，所有Myotis均具有保守的2n=44核型。尽管存在广泛的细胞学保守性，但染色体内部的结构变异（包括倒位、重复和易位）相对常见，尤其是在推定着丝粒区域附近。通过SyRI分析，每个北美Myotis基因组相对于外群M. myotis鉴定出6,813至8,013个结构变异，其中97-99%的事件小于10kb。在构成基因组约30%的三大常染色体中，平均鉴定出509个结构变异；而在构成基因组约65%的小常染色体中，平均观察到316个事件。转座元件（TE）在预测着丝粒周围富集，片段重复的浓度与各物种的TE密度显著相关，突出了TE在促进结构进化中的重要性。
**跨物种PKR拷贝数变异**
在北美Myotis中鉴定出的结构变异中，PKR基因因其对DNA和RNA病毒均具有抗病毒活性的干扰素刺激基因身份而备受关注。研究人员完全解析了先前已知的两个单倍型：H1（含单拷贝PKR2）和H2（含两个串联重复拷贝PKR1和PKR2），并鉴定了第三个单倍型H3（含三个串联重复拷贝），仅存在于M. californicus中。九个Myotis物种中有七个携带重复单倍型，其中五个为重复单倍型的杂合子。通过GeneRax构建基因树发现，PKR2是祖先拷贝，PKR1起源于Myotis根部的单次重复事件，表明重复和未重复单倍型可能已分离数千万年，代表古老的跨物种多态性。功能实验表明，PKR1和PKR2在其主要细胞效应功能中表现为加性效应而非显性负效应或协同效应，二者不能形成异源二聚体。虽然重复可能拓宽对某些DNA和RNA病毒拮抗剂的抵抗力，但高剂量PKR观察到的细胞毒性增加表明存在权衡，这可能解释其他哺乳动物中缺乏PKR重复的原因。
**对DNA和RNA病毒的适应模式**
研究人员通过计算病毒互作蛋白（VIP）中的正选择富集评分发现，与其他哺乳动物一样，Myotis在VIP中表现出适应富集。具有实验证据支持特定促病毒或抗病毒效应的VIP中正选择比例显著升高，而无此证据的VIP中未观察到升高。值得注意的是，Myotis和其他蝙蝠的VIP适应仅由DNA病毒互作蛋白的选择驱动，而RNA病毒互作蛋白未显示全基因组适应富集的证据。在基因拷贝数变化方面，VIP基因更可能在Myotis家族至少一个分支上发生扩增和/或收缩，且这一模式完全由RNA-only VIP的拷贝数变化驱动，而非DNA-only VIP。相比之下，人类和其他灵长类动物的VIP适应由RNA病毒互作蛋白的正选择驱动。在其他四个哺乳动物分支（灵长类、啮齿类、真有蹄类和食肉目）中，均未观察到蝙蝠中RNA VIP蛋白编码适应全基因组富集的缺失，表明蝙蝠对DNA和RNA病毒表现出独特的适应模式。
**体型与寿命进化**
通过对1000多种哺乳动物的超树进行体型和寿命的独立进化建模，研究人员发现虽然鲸类、象类和灵长类等类群的体型与寿命进化模式普遍一致，但蝙蝠在体型变化较小的情况下表现出哺乳动物中最大、最快速的寿命变化。这些变化在物种和属间很大程度上是独立的，与蝙蝠多次独立延长寿命的理论一致。系统发育校正后的广义线性模型分析表明，蝙蝠每增加1%体重带来的寿命增加比非蝙蝠哺乳动物多40%，但系统发育校正后这些速率差异不显著。在Myotis中，M. brandtii（Δlifespan 8.6，第99百分位）和M. lucifugus（Δlifespan 8.4，第99百分位）显示出相对于最近共同祖先最快的寿命增长。
**多效性免疫与DNA损伤应答**
研究人员假设Myotis谱系中观察到的极端寿命变化应对癌症相关过程基因施加选择压力。通过aBSREL检测发现，每个节点平均有5.46%和20.8%的蛋白编码基因分别处于正选择或负选择之下。在正选择基因中，北美Myotis的大多数节点富含癌症标志通路，特别是在最长寿物种的近期祖先中。M. lucifugus在谱系-wide和节点特异性正选择富集中，DNA双链断裂修复相关通路过度表达，包括高保真"同源重组修复"通路65个基因中的35个，以及"通过单链退火的同源定向修复"通路37个成员中的21个。功能实验表明，在低剂量NCS处理下，M. lucifugus是唯一在24小时后表现出敏感性的物种，存活率下降并伴随凋亡增加；在高剂量下，M. lucifugus在所有测试蝙蝠中具有最高的凋亡水平和最大的存活率下降。RNA测序分析显示，NCS处理后差异表达基因与DNA-only VIP之间存在高度显著富集（P=3.34×10??），这些基因在细胞周期、衰老、转录和DNA损伤修复相关通路中过度表达。这些结果表明，先天免疫应答的选择可能驱动衰老相关性状（如DNA损伤应答和细胞周期调控）中的对抗性多效性。
**总结与结论**
本研究表明，蝙蝠对DNA和RNA病毒均存在适应，但通过不同模式实现——前者为蛋白质进化，后者为拷贝数变化。这与人类和其他灵长类动物以RNA病毒蛋白编码适应为主形成对比。研究还证明了免疫基因中复杂的结构变异模式，包括编码抗病毒先天免疫系统主要蛋白的PKR的分离重复。功能分析揭示了PKR拷贝数变异的功能意义，包括对细胞效应功能的加性效应。研究结果支持对抗性多效性在塑造蝙蝠进化中的重要性，即许多特定性状（如DNA病毒先天免疫）的遗传适应可能对看似无关的性状（如癌症抵抗、细胞稳态和长寿）有益。蝙蝠也是已知唯一具有活性DNA转座子的哺乳动物，其抑制可能也有助于DNA互作VIP中的选择特征。对DNA-only VIP的全基因组选择和Myotis及其他蝙蝠中长寿相关极端进化的发现，支持了癌症风险、细胞稳态和抗病毒反应等性状由于蝙蝠进化史中重合点的多效性选择而协同进化的更广泛假说。
