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鴨嘴獸因為具有鴨子般的嘴、鼴鼠般的身體和河狸般的尾巴，曾一度被認為是一種生物演化的奇蹟。它與同在澳洲大陸的針鼴一起，組成了哺乳動物原獸亞綱的單孔目。雖然針鼴的長相略微「正常」，像一隻刺蝟，但是和鴨嘴獸一樣，它們都有著不少令人瞠目結舌的特性。其中最奇特的是雖然作為哺乳動物，它們卻像鳥類一樣通過生蛋來繁殖後代，同時這類物種也能夠分泌乳汁並哺乳後代。與其他哺乳動物相比，單孔目物種的特殊性還在於它們具有的性染色體結構：其他哺乳動物包括人類只有一對性染色體（雄性為XY，雌性XX），而它們則有五對共十條性染色體。另外，作為最早分化形成的哺乳動物物種，單孔目處在哺乳動物的演化過程中一個非常重要的位置，是我們了解哺乳動物演化歷史的關鍵分支。這些獨特的生物學特性和演化地位一直吸引著科學家對它們的性狀特徵起源進行研究。
2021年1月6日，深圳華大生命科學研究院生物多樣性團隊、哥本哈根大學、浙江大學、澳大利亞阿德萊德大學等單位聯合在Nature上發表文章Platypus and echidna genomes reveal mammalian biology and evolution，報導了單孔目基因組的最新研究結果。研究團隊發表了鴨嘴獸和短鼻針鼴（後簡稱針鼴）的基因組，並利用其信息對哺乳動物的演化以及單孔目性染色體演化進行了分析，為深入了解哺乳動物的重要演化歷程提供了新的結果。論文第一作者為周暘博士，深圳華大生命科學研究院、昆明動物研究所及哥本哈根大學張國捷教授、浙江大學周琦教授和阿德萊德大學Frank Grutzner教授共同為文章的通訊作者。
哺乳動物的演化
哺乳動物祖先的外觀形狀已經通過化石證據部分還原出來，但是哺乳動物祖先染色體的數目一直都是一個謎。得益於本研究產生的兩個高質量的單孔目基因組，研究團隊首次構建出2n=60條哺乳動物的祖先染色體，為人們研究哺乳動物早期演化過程中基因組的變化提供了重要信息。
估計了現代哺乳動物的共同祖先距今的大致年代1.8億年前，之後大約在1.6億年前有獸亞綱哺乳動物共同的祖先出現，染色體數為36條，在8千萬年有袋類的祖先出現，染色體數為14條。
性染色體演化
人只有一對XX或者XY性染色體，然而單孔目卻擁有5對也就是十條XX/XY性染色體。那麼，這麼多的性染色體是如何產生的，其中又隱藏著什麼演化的故事呢？
在本研究中，研究團隊發現單孔目物種的5條X染色體與其他絕大多數哺乳動物的X染色體沒有序列相似性，反而部分跟鳥類的性染色體同源。通過與多個物種之間的比較，團隊發現單孔目的5對性染色體更可能是通過多對古老的常染色體相互之間發生非同源的片段交換，即轉座異位事件產生，而並非之前所假設的通過兩個古老的單孔目群體的雜交產生，或者由1條大的祖先性染色體斷裂形成。
與其他絕大多數物種的性染色體類似，由於Y染色體在長期演化過程中逐漸退化，單孔目的X、Y染色體之間存在著長度、基因數目等方面的差異。通過X、Y染色體之間的比較，研究發現在單孔目的5條X染色體（依次編號1-5）中，最古老的是X1染色體（約1.75億年前），其次是X2、X3、X5，最年輕的是X4——這個在鴨嘴獸和針鼴分化之後才各自獨立演化出來的性染色體。與之一致的是，團隊在X1上發現了單孔目潛在的性別決定基因AMHX；但出乎意料的是，與AMHX同源的AMHY基因，並不位於與X1配對的Y1上，而位於Y5染色體上，同時絕大多數的X1基因的同源基因也處在Y5上。由此研究團隊推測，在單孔目性染色體演化的初期，5對性染色體可能在減數分裂時會形成一個首尾相接的非常罕見的環狀結構。然而這個結構隨著Y染色體的進一步退化最終斷開，形成了現在人們觀測到的鏈狀結構。
另外團隊發現單孔目的多對性染色體之間存在著明顯高於常染色體的染色體間的相互作用，這一現象可能是與單孔目多對性染色體的形成有關。
單孔目重要和有趣的基因
如前文所述，單孔目是一類卵生哺乳動物，那麼這一特徵是如何體現在它們基因組中的呢？研究團隊發現單孔目，雖然較爬行類和鳥類來說丟掉了一些基因，但仍保留著部分參與到卵形成的基因，如編碼參與到卵黃營養物質運輸過程分子的vitellogenin 卵黃蛋白原基因；而這些基因在人、考拉等哺乳動物中已經完全丟失。同時單孔目物種已經擁有了一些參與到泌乳過程的基因，如乳汁中主要成分之一的酪蛋白的 casein 酪蛋白基因。這說明這些泌乳相關的基因是從所有現生哺乳動物的祖先開始演化形成。
成年鴨嘴獸和針鼴跟雞一樣沒有牙齒，它們的胃也基本已經退化了。研究團隊發現許多牙齒和胃發育相關的基因在鴨嘴獸和針鼴都丟失了。比如參與到牙齒生長過程中牙齒形成、生長以及牙釉基質礦質化的 odontogenic ameloblast-associated 基因，以及引導ATP酶將氫離子泵入胃中、刺激胃酸分泌過程的 gastrin胃泌素基因，這兩個基因在兩個單孔目中都已經發生了丟失。
儘管鴨嘴獸和針鼴同屬於單孔目，但兩類物種生活在截然不同的環境裡。鴨嘴獸是一種半水生的動物，以水中的小型無脊椎動物為食，主要依靠水中的電流信號覓食；而針鼴是陸生動物，以土中的白蟻等為食，主要依賴嗅覺尋找食物。因此二者在嗅覺味覺等系統的發達程度上也有所差異，這點能夠從二者主嗅球和輔助嗅球的大小上反映出來：鴨嘴獸主要依靠水中的電流信號尋找食物，而針鼴則主要需要靠嗅覺尋找生活在地下的白蟻。於此相對應的，團隊發現針鼴的嗅覺受體基因明顯多於鴨嘴獸和其他哺乳動物，而犁鼻器受體基因的數量則是在鴨嘴獸中更多。另外值得一提的是，犁鼻器受體在其他的一些夜行性動物（如狐猴）中也被發現有所擴張，因此它們在鴨嘴獸中的擴張也可能與其在水下活動時會將眼睛等器官閉上的行為有關。另外單孔目中苦味受體基因的數量明顯少於人、小鼠等哺乳動物。這些差異可能是兩個物種在適應不同生態環境的過程中分化的結果。
「我們這次構建出的哺乳動物祖先序列對於理解包括人在內的哺乳類如何發生輻射性的適應演化提供了重要的參考信息。」論文第一作者，丹麥哥本哈根大學和深圳華大生命科學研究院聯合培養的周暘博士表示，「現代人有46條染色體，而我們和鴨嘴獸的共同祖先很可能有60條染色體，這些染色體經過了很多次的變異才形成了今天的狀態。」
「鴨嘴獸和針鼴等單孔類哺乳動物是非常古老的類群，它們與其他所有現生哺乳動物在演化上是姐妹群的關係，並於約1.8億年前與其他哺乳動物分化開來。它們的基因組數據可以幫助我們了解1.8億年前哺乳動物的共同祖先，以及這1.8億年間不同哺乳動物類群在演化過程中各自發生了什麼變化。」論文的通訊作者之一，澳大利亞的Frank Grutzner教授如是說。
該研究還揭示了哺乳動物性別染色體演化的出人意料的複雜模式。「我們都知道，人和其他絕大多數哺乳動物通過X和Y兩條染色體決定性別。XY染色體決定了雄性，XX則對應雌性。」論文的另一位通訊作者，浙江大學生命科學研究院的周琦教授說，「但我們的研究顯示，單孔類的性染色體與包括人在內的大多數哺乳動物的性染色體沒有任何同源關係，反而和鳥類更接近。也就是說，我們與鴨嘴獸是在祖先分歧之後的大約數千萬年內各自獨立演化出了不同的性染色體系統。」
「事實上，鴨嘴獸有5對性染色體，也就是10條。而我們只有1對，也就是2條。」周暘補充說，「我們研究顯示，單孔類的性染色體很可能經過了非常複雜的演化。」
此外，該研究還揭示了鴨嘴獸和針鼴在演化過程中發生的一系列特殊事件，如與牙齒有關的部分基因丟失從分子機制上找了這兩種動物成年後完全失去牙齒的原因，而另一些保留的與卵形成有關的基因則提示了單孔類作為少數卵生哺乳類動物的線索。研究還發現編碼哺乳動物的乳汁主要蛋白成分的基因在單孔目裡已經存在，說明泌乳和乳汁的性狀在所有現生哺乳動物的最近共同祖先就已經演化形成。
「通過最新的測序技術結合分子標記圖譜，我們可以獲得質量更高的染色體級別的基因組數據，通過我們建立的算法，可以很系統的開展比較分析，幫助我們更好地理解物種演化過程中的分子機制。」該研究的通訊作者，深圳華大生命科學研究院、中國科學院昆明動物研究所及丹麥哥本哈根大學的張國捷教授總結說，「這一研究不僅揭示了精細的染色體結構變異過程如何影響哺乳動物早期演化過程，同時也解答了許多單孔目物種這一特殊哺乳動物類群許多特殊生物學性狀的產生機制。」
值得一提的是，同日，Nature的共同通訊作者周琦教授在Genome Research以及GigaScience上發表了兩篇文章，分別對兩項鳥類——澳洲鴯鶓和北京鴨的性染色體進行了研究，展現了與哺乳類完全獨立的性染色體演化模式。
澳洲鴯鶓和北京鴨為兩類廣泛養殖的家禽， 其性染色體分別代表了鳥類性染色體演化的早期，中期，而人類，雞，果蠅等物種的性染色體則代表了演化的晚期，即X和Y染色體或者鳥類中的Z和W染色體序列完全分化的狀態。新組裝的鴯鶓的基因組序列揭示其性染色體與其古老的常染色體祖先差別不大，超過2/3的區域依然保持著同源重組和高度序列相似性，即使是在重組已經抑制的區域，仍然保留了大量的有轉錄活性的基因（下圖）。儘管如此，鴯鶓性染色體的染色體三維構象和染色體區域內的相互作用發生了變化，這一結果提示性染色體的演化，整體構象包括大範圍空間結構域（「topologically associated domain」）的變化，可能是基因組序列和基因表達變化的前提基礎，為性染色體退化的分子證據提供了新的認識。
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-03039-0
https://doi.org/10.1093/gigascience/giaa142
https://genome.cshlp.org/content/early/2021/1/6/gr.271569.120.abstract