鸟类β-角蛋白的演化：基于特异保存化石材料的分析

β-keratins as structural proteins are modern avian and reptile specific, and avian β-keratins is a multigene family subdivided into five subfamilies: keratinocyte, claw, scale, feather and feather-like. Various hypotheses have been proposed to explain the evolution of the sub-families and the relationship between avian and reptile β-keratins by molecular and developmental biology. In this project, techniques on modern histology, immunohistochemistry, mass spectrometry of polypeptides and proteins will be applied to analyze the exceptionally preserved β-keratins in the fossil materials, and aim to directly test the hypothesis based on modern molecular and developmental data, and decipher the straight-forward evidences for the evolution of β-keratins. This project uses the deep-time molecular data to test the hypothesis based on modern biological data, highlighting the possibility and importance to integrate the morphology，development, ancient and extant molecular data to understanding evolution.

β-角蛋白是现生鸟类和爬行类特有的结构蛋白，分子生物学的研究显示鸟类不同类型的β-角蛋白属于同一个多基因家族，可以分为五个亚类: keratinocyte, claw, scale, feather 和feather-like 亚类。但针对这五个亚类之间，及与爬行类β-角蛋白之间的系统演化关系，分子生物学和发育学研究都提出了各自不同的假说。本项目拟利用现代生物学组织学、免疫组化、蛋白质和多肽质谱等技术方法对特异保存的β-角蛋白分子化石进行系统分析，来直接检验根据分子生物学和发育学的间接证据提出的假说，并为鸟类β-角蛋白的演化找到直接的分子化石证据。本项工作直接利用深时化石中的分子证据来检验现代分子生物学得出的与生命演化相关的假说，显示了形态学、发育学、古老和现生的分子生物学数据跨学科整合的可能性和重要性。

本项目计划的两个实验技术目标均已基本实现，即发展一套完整的实验技术对分子化石是否保存实现准确的初检，并在化石分析中实现分子化石高分辨率的原位检测。但是项目设计的理想目标未能完全实现。我们对化石鸟类不同角质化组织进行了详细的分析，但鉴于化石保存的不可控因素，目前仅在羽毛化石中检测到了有效的分子化石，爪鞘、鳞片等结构中均未能检测到分子化石的保存。尽管如此，本项目的研究开展还是为鸟类和爬行类角质化组织之间的演化关系提供了重要的参考，彰显了现代生物学技术和传统古生物学研究交汇融合的魅力。.本项目取得的重要结果可概括如下：.1..利用多种现代超微结构检测技术、原位元素分析和免疫学的方法，对产自我国侏罗纪、白垩纪和新生代地层的羽毛化石开展了研究和对比。结果表明，侏罗纪的非鸟类恐龙近鸟龙的羽毛在蛋白分子的构成上，代表了早期不适于飞行的羽毛向现生鸟类羽毛演化的过渡类型。.2..通过模拟成岩作用获得角质化组织化石的类化石样品，然后对不同埋藏阶段的模拟样品以及真实的化石角质化组织进行分析，发展了一套无损并快速检测是否保存了分子化石的检测方法。该方法已经被成功应用到多项研究工作中，例如对化石爪鞘和化石鳞片的分析。.3..在实验中，我们发现无论是前期免疫学检测方法，还是同步辐射傅立叶红外光谱和二次飞行时质谱，都不能让我们获得蛋白的序列信息。在不停的试错中，我们尝试开发高灵敏度和高精度的古蛋白提取方法，终于成功捕获了3条多肽序列信息。但距离目标还很远，因此该项结果也未发表。.4..在对多个角质化组织化石样品的分析中，虽然我们未能提取到有效的蛋白序列信息。但是研究中发现了多个精细保存结构为鸟类和爬行类角质化组织之间的演化关系提供了重要的参考。例如，中空黑素体的发现；基干鸟类腿部鳞片的发育；爪鞘中角化细胞的发现等。