胎盘类哺乳动物翼膜演化的趋同进化分子机制研究

Biological evolution is a constant process of creature’s adapting to the environment, and the adaptive evolution is undoubtedly one of the most fundamental problem in biology research. Convergent evolution is one of the important and unique form of adaptive evolution. It is the key point of adapting to the environment that owning the ability of flying. It will provide important information for the molecular mechanisms of flight adaptive evolution that studying the convergent evolution of flying ability. In the placental mammals group, except the bats (Chiroptera) own a real ability to fly, the other two groups, like flying squirrels (Rodentia) and colugos (Dermoptera), both of which could not fly, but they own the ability of gliding in the sky, and all of the three groups owned similar morphological character - patagium. The study of convergent evolution on the aliped mammals will be an important and interesting scientific issue. The present project intends to sequence the whole genome of flying squirrels in de novo and the different transcripts from different tissues based on the next generation sequencing technology, and combined with the whole genome and transcripts of bats and colugos published online, for revealing their molecular mechanisms of convergent evolution among the patagium mammals from multiple levels (genome sequences, expression spectrum and function experiment), fully understanding the relationship between the genome variation, expression differences (inter-species and inter-tissues) and their special form of flying adaptation to the environment among these patagium placental mammals.

生物的进化就是生物不断适应环境而发展的过程，适应性进化无疑是生物学研究中最基本的问题之一，趋同进化是适应性进化重要而独特形式之一。飞行能力是动物适应环境的一个关键。研究飞行的趋同进化将为飞行能力的适应性进化分子机制提供重要信息。在胎盘类哺乳动物中除了蝙蝠（翼手目）具有真正飞行能力之外，还有鼯猴（皮翼目）和鼯鼠（啮齿目），虽然不具有飞行能力却有不同程度的滑翔能力。三者进化关系较远，却都进化出相同的形态特征，即翼膜。翼膜类哺乳动物的趋同进化研究成为一个重要而有趣的科学命题。本项目拟利用第二代测序技术，对啮齿目的飞鼠进行全基因组测序(de novo)和不同组织转录组测定，结合网上已有的鼯猴和蝙蝠基因组和转录组序列，从多个层次上（基因序列和表达谱并结合功能实验验证）揭示翼膜类哺乳动物的分子趋同进化机制，全面理解翼膜类哺乳动物基因组变异和表达差异（种间及不同组织间）与其适应特殊运动形式的关系。

本研究成功获取红白鼯鼠（Petaurista alborufus）从头测序基因组数据，根据项目需要，以包含滑翔物种鼯鼠在内的灵长类总目为研究对象，以此类群中运动模式的趋同为主要研究内容，基于PCA聚类，形态系统发育及C-metrics模型构建的方法，结果将啮齿目和皮翼目中同属于滑翔的鼯鼠和鼯猴聚为一枝，研究认为运动形式的形态趋同研究为分子水平研究趋同进化提供重要信息。除此之外，基于比较基因组学分析，选择滑翔物种的近缘物种筛选到12,275个一对一同源基因数据集进行选择压力分析及趋同进化分析，基于趋同位点鉴定及趋同进化速率检测，筛选到趋同进化基因列表9个（Cela3b, Ctrb1, Dcaf8, Dmgdh, Irx2, Mef2c, Otop3, Rnf207和Slc10a2），其中，Dcaf8基因与细胞增殖和肌肉的生成有关，其功能区域氨基酸位点的突变会导致基因功能的改变，使细胞发生增殖，抑制肌肉萎缩，这可能与鼯鼠和鼯猴特有的翼膜及其上附着的强健肌肉有关。本研究计划通过比较基因组学分析非编码区保守元件在滑翔物种鼯鼠和鼯猴中的趋同进化分子基础。