昆明動物所等揭示爬行動物卵生和胎生繁殖模式進化的遺傳機制

　　脊椎動物繁殖模式主要分為兩種：卵生（oviparity）和胎生（viviparity）。卵生繁殖模式是指母體產卵，隨後卵在外界環境中孵化至卵內胚胎完全發育而孵出幼體；而胎生繁殖模式則是母體將受精卵滯留在子宮或輸卵管內直至胚胎發育完全，由母體直接分娩產出。胎生繁殖模式具有優化胚胎發育環境和保護胚胎不受外在不利影響的作用，因而可以大大提高後代的存活率和適合度。根據胚胎發育的營養來源，可以分為卵性營養（Lecithotrophy）和胎性營養（Matrotrophy）兩種類型，卵性營養物種胚胎發育的營養來自卵黃，而胎性營養物種胚胎發育的營養由母體通過胎盤供應。卵生物種都屬於卵性營養，而胎生物種可據胚胎發育的營養來源劃分為卵性營養胎生和胎性營養胎生，不同胎生物種處於卵性-胎性營養連續譜的不同位點上。絕大多數爬行動物處於極端卵性營養一端，但極少數胎生石龍子胚胎發育顯著依賴胎性營養。哺乳動物中的真獸類處於極端胎性營養一端。

　　有鱗類爬行動物（包括蜥蜴、蛇和蚓蜥）約有20%的胎生物種，其獨立起源次數可能達98-129次，超過整個脊椎動物的胎生起源次數的三分之二。有鱗類的胎生起源多發生在較低的分類階元（屬下、種下水平），便於進行不同繁殖模式的比較研究，因此為研究胎生繁殖模式的進化提供了一個重要的模型。卵生如何進化為胎生？這是十分重要的基礎性生物學問題。過去基於生理、組織形態等方面的研究發現，胎生進化伴隨卵殼退化、胚胎附著、胎盤發育、受精卵延長滯留、免疫耐受等方面相應的改變。然而，這些變化的遺傳機制尚屬空白。

　　要解答這一問題，首先需要選好研究的模式系統。中國科學院昆明動物研究所研究員車靜領導的課題組在長期積累的研究基礎上，最終挑選了沙蜥屬物種作為研究對象。生活在青藏高原高海拔地區的沙蜥屬所有物種，包括青海沙蜥（Phrynocephalus vlangalii），面對高海拔低溫、低氧等惡劣環境，進化出了典型的胎生繁殖模式，而鄰近低海拔地區近緣物種，如荒漠沙蜥（P. przewalskii）等則具有卵生繁殖模式。其次，開展該項研究，還需要多方面的技術和專長。車靜聯合國內外6個研究組組成了聯合攻關團隊。

　　研究人員在建立荒漠沙蜥及青海沙蜥室內繁殖體系及明確物種不同繁殖時期性狀對比的基礎上，最終成功獲得兩物種主要繁殖差異時期輸卵管及子宮轉錄組樣品。與此同時，他們成功解析了青海沙蜥和荒漠沙蜥全基因組數據。在此基礎上，得以構建兩物種在不同發育時期母體輸卵管/子宮組織的基因表達譜，通過基因的進化分析和表達分析，鑑定出了控制諸如卵殼退化、延遲產卵等一系列性狀的關鍵候選基因/通路。此外，通過與有鱗類中的麻蜥屬（Eremias）、蜓蜥屬（Sphenomorphus）、滑蜥屬（Scincella）等其它胎生物種的趨同進化比較研究，得以從序列和表達調控兩個層面對胎生進化的遺傳機制及其相對貢獻進行了分析。

　　在卵殼退化方面，研究發現在荒漠沙蜥（卵生）卵殼腺形成時期（卵黃生成期，S1期），與輸卵管/子宮上皮分化、腺體發育等相關功能的基因呈現特異性高表達，而這些基因在青海沙蜥（胎生）的相應時期並沒有呈現相同的趨勢。如雌激素受體（ESR）介導的生長因子通路，此前報導與卵殼腺形成相關，且該通路中的部分基因在荒漠沙蜥S1期特異高表達，而在青海沙蜥中則呈現相反的表達模式。該結果表明，卵殼腺的退化可能是導致青海沙蜥卵殼退化的關鍵因素。

　　除此之外，研究還發現對應於荒漠沙蜥（卵生）的產卵期（S3期），青海沙蜥（胎生）在基因表達上表現出一定的差異。比如，ESR以及其它一些生長因子受體（如GHR、IGF1R）在該時期的高表達可能對胎盤的發育起到了促進作用。而PTGS2基因（起促進子宮肌肉收縮作用）在S3期之後的下調以及ADRB2基因（具維持子宮肌肉靜默的作用）在整個妊娠期間的持續高表達可能促進了其產卵/仔時間的延遲。

　　最後，通過對不同胎生蜥蜴的趨同進化分析，發現4個基因（C7, NKTR, NBEAL2, PTX2）存在趨同的胺基酸替換。這些基因均與免疫相關，且其中兩個在胚胎附著（S3期）後表達下調，可能涉及母體對胚胎的免疫調節。然而，統計發現這種趨同進化的水平並不高於隨機情況下產生的胺基酸替換，同時基於胎生支系進化速率的分析也沒有得到趨同的信號。這一分析結果提示，胎生進化可能更多地受基因表達的調控，而非序列變異。

　　該研究已在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上在線發表。昆明動物所博士研究生高偉、副研究員孫豔波、副研究員周煒幃以及助理研究員熊子軍為論文的共同第一作者，昆明動物所研究員車靜、張亞平，南京師範大學教授計翔以及德克薩斯大學奧斯汀分校教授David Hillis為論文的共同通訊作者。該研究得到中科院先導項目（B）、國家自然科學基金、中科院青年創新促進會、中科院西部之光及中科院國際訪問學者計劃的資助。

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圖1. 荒漠沙蜥（卵生）和青海沙蜥（胎生）主要繁殖時期對比以及該研究中轉錄組樣品收集時期表

 

圖2. 荒漠沙蜥及青海沙蜥室內繁殖體系建立

 

　　圖3. 卵殼腺退化相關基因的表達模式。（A）荒漠沙蜥卵殼腺形成時期（S1）特異高表達基因在兩物種的表達豐度熱圖；（B）兩物種卵黃生成期（S1）特異高表達基因的比較；（C）已報導與卵殼腺形成相關的關鍵基因在兩物種中的表達模式。

　　脊椎動物繁殖模式主要分為兩種：卵生（oviparity）和胎生（viviparity）。卵生繁殖模式是指母體產卵，隨後卵在外界環境中孵化至卵內胚胎完全發育而孵出幼體；而胎生繁殖模式則是母體將受精卵滯留在子宮或輸卵管內直至胚胎發育完全，由母體直接分娩產出。胎生繁殖模式具有優化胚胎發育環境和保護胚胎不受外在不利影響的作用，因而可以大大提高後代的存活率和適合度。根據胚胎發育的營養來源，可以分為卵性營養（Lecithotrophy）和胎性營養（Matrotrophy）兩種類型，卵性營養物種胚胎發育的營養來自卵黃，而胎性營養物種胚胎發育的營養由母體通過胎盤供應。卵生物種都屬於卵性營養，而胎生物種可據胚胎發育的營養來源劃分為卵性營養胎生和胎性營養胎生，不同胎生物種處於卵性-胎性營養連續譜的不同位點上。絕大多數爬行動物處於極端卵性營養一端，但極少數胎生石龍子胚胎發育顯著依賴胎性營養。哺乳動物中的真獸類處於極端胎性營養一端。
　　有鱗類爬行動物（包括蜥蜴、蛇和蚓蜥）約有20%的胎生物種，其獨立起源次數可能達98-129次，超過整個脊椎動物的胎生起源次數的三分之二。有鱗類的胎生起源多發生在較低的分類階元（屬下、種下水平），便於進行不同繁殖模式的比較研究，因此為研究胎生繁殖模式的進化提供了一個重要的模型。卵生如何進化為胎生？這是十分重要的基礎性生物學問題。過去基於生理、組織形態等方面的研究發現，胎生進化伴隨卵殼退化、胚胎附著、胎盤發育、受精卵延長滯留、免疫耐受等方面相應的改變。然而，這些變化的遺傳機制尚屬空白。
　　要解答這一問題，首先需要選好研究的模式系統。中國科學院昆明動物研究所研究員車靜領導的課題組在長期積累的研究基礎上，最終挑選了沙蜥屬物種作為研究對象。生活在青藏高原高海拔地區的沙蜥屬所有物種，包括青海沙蜥（Phrynocephalus vlangalii），面對高海拔低溫、低氧等惡劣環境，進化出了典型的胎生繁殖模式，而鄰近低海拔地區近緣物種，如荒漠沙蜥（P. przewalskii）等則具有卵生繁殖模式。其次，開展該項研究，還需要多方面的技術和專長。車靜聯合國內外6個研究組組成了聯合攻關團隊。
　　研究人員在建立荒漠沙蜥及青海沙蜥室內繁殖體系及明確物種不同繁殖時期性狀對比的基礎上，最終成功獲得兩物種主要繁殖差異時期輸卵管及子宮轉錄組樣品。與此同時，他們成功解析了青海沙蜥和荒漠沙蜥全基因組數據。在此基礎上，得以構建兩物種在不同發育時期母體輸卵管/子宮組織的基因表達譜，通過基因的進化分析和表達分析，鑑定出了控制諸如卵殼退化、延遲產卵等一系列性狀的關鍵候選基因/通路。此外，通過與有鱗類中的麻蜥屬（Eremias）、蜓蜥屬（Sphenomorphus）、滑蜥屬（Scincella）等其它胎生物種的趨同進化比較研究，得以從序列和表達調控兩個層面對胎生進化的遺傳機制及其相對貢獻進行了分析。
　　在卵殼退化方面，研究發現在荒漠沙蜥（卵生）卵殼腺形成時期（卵黃生成期，S1期），與輸卵管/子宮上皮分化、腺體發育等相關功能的基因呈現特異性高表達，而這些基因在青海沙蜥（胎生）的相應時期並沒有呈現相同的趨勢。如雌激素受體（ESR）介導的生長因子通路，此前報導與卵殼腺形成相關，且該通路中的部分基因在荒漠沙蜥S1期特異高表達，而在青海沙蜥中則呈現相反的表達模式。該結果表明，卵殼腺的退化可能是導致青海沙蜥卵殼退化的關鍵因素。
　　除此之外，研究還發現對應於荒漠沙蜥（卵生）的產卵期（S3期），青海沙蜥（胎生）在基因表達上表現出一定的差異。比如，ESR以及其它一些生長因子受體（如GHR、IGF1R）在該時期的高表達可能對胎盤的發育起到了促進作用。而PTGS2基因（起促進子宮肌肉收縮作用）在S3期之後的下調以及ADRB2基因（具維持子宮肌肉靜默的作用）在整個妊娠期間的持續高表達可能促進了其產卵/仔時間的延遲。
　　最後，通過對不同胎生蜥蜴的趨同進化分析，發現4個基因（C7, NKTR, NBEAL2, PTX2）存在趨同的胺基酸替換。這些基因均與免疫相關，且其中兩個在胚胎附著（S3期）後表達下調，可能涉及母體對胚胎的免疫調節。然而，統計發現這種趨同進化的水平並不高於隨機情況下產生的胺基酸替換，同時基於胎生支系進化速率的分析也沒有得到趨同的信號。這一分析結果提示，胎生進化可能更多地受基因表達的調控，而非序列變異。
　　該研究已在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上在線發表。昆明動物所博士研究生高偉、副研究員孫豔波、副研究員周煒幃以及助理研究員熊子軍為論文的共同第一作者，昆明動物所研究員車靜、張亞平，南京師範大學教授計翔以及德克薩斯大學奧斯汀分校教授David Hillis為論文的共同通訊作者。該研究得到中科院先導項目（B）、國家自然科學基金、中科院青年創新促進會、中科院西部之光及中科院國際訪問學者計劃的資助。
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圖1. 荒漠沙蜥（卵生）和青海沙蜥（胎生）主要繁殖時期對比以及該研究中轉錄組樣品收集時期表
 
圖2. 荒漠沙蜥及青海沙蜥室內繁殖體系建立
 
　　圖3. 卵殼腺退化相關基因的表達模式。（A）荒漠沙蜥卵殼腺形成時期（S1）特異高表達基因在兩物種的表達豐度熱圖；（B）兩物種卵黃生成期（S1）特異高表達基因的比較；（C）已報導與卵殼腺形成相關的關鍵基因在兩物種中的表達模式。