中國科學(xué)院昆明動物研究所牽頭發(fā)起的靈長類基因組計劃目前取得階段性重大突破,6月2日,該計劃以專刊形式在線發(fā)表8篇Science論文,其中昆明動物所主導(dǎo)或參與發(fā)表6篇Science和2篇Science Advances。該專刊涵蓋了靈長類研究的多個熱點(diǎn)領(lǐng)域,厘清了靈長類動物的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系;揭示了靈長類動物的基因組多樣性特征和演化歷史;解析了靈長類動物大腦、體型、骨骼、感官、食性等復(fù)雜性狀演化的遺傳基礎(chǔ);發(fā)現(xiàn)了寒冷促進(jìn)亞洲葉猴復(fù)雜社會系統(tǒng)演化的遺傳機(jī)制;首次發(fā)現(xiàn)靈長類動物雜交成種事件;構(gòu)建了人類疾病基因在非人靈長類基因組中的變異圖譜,并推測人類疾病基因突變的潛在功能等等。這些發(fā)現(xiàn),對靈長類動物多樣性保護(hù),遺傳資源的開發(fā)和利用具有重要指導(dǎo)意義,也為人類特殊性狀的起源、發(fā)育以及疾病醫(yī)學(xué)研究提供了重要遺傳學(xué)材料和候選分子靶標(biāo)。

Science?和Nature雜志同時對研究成果做了新聞報道?

2.https://www.nature.com/articles/d41586-023-01776-6?

一、大尺度系統(tǒng)基因組學(xué)研究揭示靈長類基因組演化歷史和表型進(jìn)化遺傳機(jī)制(該研究為本期Science專刊旗艦論文)?
靈長目是哺乳動物中種類最豐富的類群之一,包括16科82屬520余種,目前依然有新物種不斷被發(fā)現(xiàn)。靈長類動物由于其獨(dú)特的系統(tǒng)發(fā)育位置,以及形態(tài)、行為和生理功能的多樣性,成為研究人類起源和演化、復(fù)雜性狀創(chuàng)新和重塑、疾病發(fā)生機(jī)理的天然動物模型。解析和重構(gòu)靈長類祖先到現(xiàn)代人類進(jìn)化過程中的基因組變異圖譜,是理解人類進(jìn)化不可或缺的環(huán)節(jié),也是領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。然而,到目前為止,覆蓋絕大多數(shù)靈長類動物支系的高質(zhì)量參考基因組的比較基因組學(xué)研究仍然存在相當(dāng)大的缺口,尤其是位于靈長類系統(tǒng)發(fā)育樹基部的類群,例如闊鼻類(Platyrrhini)、跗猴下目(Tarsiiformes)和原猴亞目(Strepsirrhini),缺乏系統(tǒng)性的比較研究。同時,由于人類活動的影響,靈長類物種豐富度和群體數(shù)量正遭受前所未有的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了填補(bǔ)這一缺口和開展靈長類動物多樣性保護(hù)研究,研究團(tuán)隊(duì)利用全新的三代長讀長基因組測序技術(shù)Pacbio/Nanopore,產(chǎn)生大量高質(zhì)量靈長類參考基因組,對現(xiàn)存靈長類物種開展系統(tǒng)性地基因組研究分析,揭示了靈長類動物基因組演化歷史和適應(yīng)性性狀演化的遺傳基礎(chǔ)。這些靈長類遺傳資源不僅有助于靈長類動物本身的保護(hù)和開發(fā)利用,也對人類表型和疾病研究具有極大的參考價值。?

研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了精細(xì)的現(xiàn)生靈長類全基因組水平系統(tǒng)發(fā)育樹,推演出靈長類最近共同祖先出現(xiàn)在距今約64.95-68.29百萬年前,該區(qū)間與白堊紀(jì)-第三紀(jì)生物大滅絕事件(K/T boundary)吻合,提示靈長類早期輻射可能受白堊紀(jì)-第三紀(jì)生物大滅絕事件的影響。研究團(tuán)隊(duì)重構(gòu)了從靈長類共同祖先到現(xiàn)代人類基因組的染色體結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)靈長類祖先和現(xiàn)代人類具有保守的核型特征。但在類人猿下目祖先8號染色體發(fā)現(xiàn)一個新的染色體融合事件,這可能對高等靈長類的創(chuàng)新演化具有重要意義。同時,研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn),不同靈長類祖先有不同水平的基因組重排率,在類人猿下目祖先支系發(fā)現(xiàn)基因組元件(例如正選擇基因、加速演化的基因組非編碼序列、擴(kuò)張的基因家族等)變異水平在數(shù)量上整體抬升,基因的功能富集和組織特異性表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)它們主要涉及大腦功能和器官大小的調(diào)控,推測這些基因組創(chuàng)新事件與類人猿下目特殊表型的適應(yīng)性演化有關(guān),例如腦容量、體型等。另外,研究團(tuán)隊(duì)通過對不同靈長類演化支系的系統(tǒng)生物學(xué)比較,發(fā)現(xiàn)數(shù)以千計的支系特異性基因組變異,這些基因組變異與靈長類不同支系的特殊功能和表型演化有關(guān),例如靈長類動物大腦、體型、骨骼、感官、食性等復(fù)雜性狀的演化等。?
此外,研究團(tuán)隊(duì)基于基因組數(shù)據(jù)推演了靈長類動物群體歷史,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)靈長類動物群體數(shù)量在晚更新世發(fā)生快速銳減,暗示長時程的氣候變遷對靈長類動物群體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響.也發(fā)現(xiàn)某些靈長類物種在過去的3個百萬年期間群體大小持續(xù)下降,這些物種中高比率是瀕危種,提示該集合中那些非瀕危物種可能也是將來急需保護(hù)的對象。?
以上研究以Phylogenomic analyses provide insights into primate evolution為題,作為旗艦論文在線發(fā)表于《科學(xué)》,中國科學(xué)院昆明動物研究所研究員吳東東、浙江大學(xué)教授張國捷和西北大學(xué)教授齊曉光為該文章的共同通訊作者。?

圖注:大尺度靈長類高精度基因組數(shù)據(jù)集的構(gòu)建和比較基因組學(xué)解析?
二、多學(xué)科交叉揭示亞洲葉猴社會復(fù)雜性的遺傳機(jī)制?
靈長類的進(jìn)化,經(jīng)歷了6500多萬年的歷史。從獨(dú)居的夜行性祖先,到今天高度發(fā)達(dá)的人類社會,交流與合作,群居與社會化,促進(jìn)了靈長類大腦的發(fā)育及認(rèn)知能力的提高,并演化出了包括重層社會在內(nèi)的、多樣化的社會系統(tǒng)。傳統(tǒng)的社會生態(tài)模型將這種多樣性解釋為對環(huán)境變化的響應(yīng)。然而,隨著研究的深入,傳統(tǒng)的社會生態(tài)模型遇到了很大的瓶頸,比如其很難解釋為什么生活在同一環(huán)境中的同域物種卻表現(xiàn)出不同的社會系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。盡管最新的研究發(fā)現(xiàn)——靈長類動物的社會演化受系統(tǒng)發(fā)育信號的影響,即遺傳自一個共同祖先、并隨著物種分化而逐步演化。然而,目前人們對靈長類社會系統(tǒng)多樣性的遺傳機(jī)制知之甚少。為探索這一懸而未決的熱點(diǎn)問題,西北大學(xué)齊曉光、李保國教授團(tuán)隊(duì)和昆明動物所吳東東團(tuán)隊(duì)以亞洲葉猴為研究模型,采用多學(xué)科交叉手段,結(jié)合生態(tài)學(xué)、古氣候?qū)W、古地理學(xué)、化石記錄、靈長類社會學(xué)多重表型以及基因組學(xué)等方法和數(shù)據(jù),揭示了亞洲葉猴多樣化社會演化的行為學(xué)、生態(tài)學(xué)和遺傳學(xué)機(jī)制。?

為了解析亞洲葉猴社會系統(tǒng)的精細(xì)演化過程,研究團(tuán)隊(duì)新測序獲得了7個亞洲葉猴物種的高質(zhì)量參考基因組(包括旗艦文章所產(chǎn)生的2個長讀長三代基因組數(shù)據(jù)),結(jié)合先前已發(fā)表的基因組數(shù)據(jù),重建了全基因組水平亞洲葉猴系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系。分析顯示亞洲葉猴的社會系統(tǒng)演化存在強(qiáng)烈的系統(tǒng)發(fā)育信號,其中奇鼻猴類群呈現(xiàn)兩步式的逐步聚合模式:從祖先一雄多雌式的單家庭群逐步演化成具有分離-聚合特征的類重層社會,再演化出長期集群生活的重層社會?;诂F(xiàn)生亞洲葉猴物種的生態(tài)-行為學(xué)數(shù)據(jù)集,種間分析顯示物種的社群規(guī)模與氣候寒冷程度顯著相關(guān),即寒冷地區(qū)的物種通常形成大規(guī)模社群。與現(xiàn)生物種的演化模式一致,結(jié)合構(gòu)建的亞洲古地質(zhì)、古環(huán)境數(shù)據(jù)集的演化歷史分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)兩次社會聚合事件都發(fā)生在歷史的寒冷時期,表明寒冷效應(yīng)可能促進(jìn)了社會聚合,是重層社會演化的一個關(guān)鍵生態(tài)因子。為進(jìn)一步挖掘這種聚合背后的遺傳學(xué)機(jī)制,基于比較基因組學(xué),研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),在具有重層社會的奇鼻猴中,與寒冷相關(guān)的能量代謝和神經(jīng)、激素調(diào)節(jié)相關(guān)基因受到正選擇。深入分析發(fā)現(xiàn)這些類群演化出了更加有效的腦、神經(jīng)激素調(diào)控網(wǎng)絡(luò),尤以多巴胺、催產(chǎn)素為代表。這些適應(yīng)性改變,有助于在寒冷的環(huán)境中增強(qiáng)母猴的撫育行為,如延長照顧幼崽和哺乳期時間,從而增加嬰猴成活率。這些改變可能通過間接增加個體的友好行為,加強(qiáng)了個體間的交流與聯(lián)系等方式,最終促進(jìn)亞洲葉猴從彼此獨(dú)立的一雄多雌群向大型重層社會演化。該研究從行為、生態(tài)、遺傳等多個維度,全面解析亞洲葉猴重層社會的起源、演化和形成機(jī)制,為靈長類社會演化提供了重要的研究范式。?
以上研究以Adaptations to a cold climate promoted social evolution in Asian colobine primates為題,在線發(fā)表于《科學(xué)》。西北大學(xué)齊曉光、李保國,昆明動物所吳東東和澳大利亞西澳大學(xué)Cyril C. Grueter為該文章的共同通訊作者。 ??
三、發(fā)現(xiàn)靈長類動物雜交成種事件?
物種的形成方式通常是以“二叉樹”的方式進(jìn)行,即由一個共同祖先分化產(chǎn)生新的物種,新的物種繼續(xù)分化又產(chǎn)生新的物種,如此循環(huán)下去就形成了我們現(xiàn)在所看到的生物多樣性。然而,物種的形成方式并非我們想象的那么簡單,有時候兩個物種之間雜交,也可以形成第三個物種,即雜交成種,但該成種方式在哺乳動物類群里面并不多見,更別說在和我們?nèi)祟愑H緣關(guān)系最近的非人靈長類動物了,但吳東東、鄭永唐和張國捷首次在獼猴類群中發(fā)現(xiàn)雜交成種事件。?

獼猴屬(Macaca)是舊大陸猴中分布范圍最廣、物種多樣性最為豐富的非人靈長類之一,其中一些物種如恒河猴、食蟹猴也是最常用的實(shí)驗(yàn)動物。新冠疫情暴發(fā)以來,獼猴在新冠肺炎疫苗研制和評價方面發(fā)揮了不可替代的作用。盡管獼猴的重要性不言而喻,但到目前為止,人們對獼猴遺傳資源的開發(fā)利用以及獼猴物種間的演化認(rèn)識還比較局限。本研究利用先進(jìn)的基因組測序技術(shù)組裝了10個新的、高質(zhì)量獼猴參考基因組,這些基因組涵蓋了獼猴屬各主要演化支系。通過系統(tǒng)基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)獼猴屬的食蟹猴種組(M.fascicularis?group)是由獅尾猴種組(M.silenus?group)和斯里蘭卡種組(M.sinica?group)雜交形成,根據(jù)時間估算,雜交成種事件大約發(fā)生在3.45-3.56百萬年(圖A),可能與上新世中早期馬來半島與大陸連接的路橋(如克拉地峽)被海平面反復(fù)浸沒有關(guān)。有趣的是,雜交成種使得食蟹猴種組(恒河猴、食蟹猴、臺灣獼猴和日本獼猴)產(chǎn)生了新的生殖性狀,如生殖器形態(tài)、性皮特征等剛好介于兩個親本之間(圖B),并且在遺傳上,生殖相關(guān)的基因有明顯的重組痕跡且受到達(dá)爾文正選擇作用。同時,該研究還發(fā)現(xiàn)X染色體和基因組低重組區(qū)在抵抗與親本的基因交流方面發(fā)揮了重要功能,有利于維持雜交后代物種的完整性。?
以上研究以Comparative genomics reveals the hybrid origin of a macaque group為題,在線發(fā)表于《Science Advances》,吳東東、鄭永唐和張國捷為該文章的共同通訊作者。?

圖注:(A)基于全基因組序列構(gòu)建獼猴物種的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系和分歧時間。(B)食蟹猴種組(M.fascicularis?group)和兩個親本(獅尾猴種組M.silenus?group和斯里蘭卡種組M. sinica?group)生殖相關(guān)特征比較。? ??
事實(shí)上,在靈長類演化歷史進(jìn)程中,雜交成種事件不止一次發(fā)生,吳東東研究員團(tuán)隊(duì)與云南大學(xué)于黎研究員團(tuán)隊(duì)等合作在該??瘓蟮懒遂`長類的另一個類群─仰鼻猴屬(Rhinopithecus)也存在古老的雜交成種事件,即黔金絲猴(R. brelichi)是由川金絲猴((R. roxellana)與滇金絲猴(R. bieti)和怒江金絲猴(R. strykeri)的共同祖先雜交而來。該成果以Hybrid origin of a primate, the gray snub-nosed monkey為題,在線發(fā)表于《科學(xué)》。? ???
四、靈長類艾滋病疾病模型的發(fā)現(xiàn)和機(jī)制解析?
缺乏直接感染HIV-1的動物模型是制約艾滋病研究的關(guān)鍵瓶頸之一。平頂猴是目前報道唯一可感染HIV-1的舊大陸猴,國內(nèi)分布的平頂猴物種為北平頂猴。鄭永唐團(tuán)隊(duì)和吳東東團(tuán)隊(duì)率先對北平頂猴進(jìn)行了基因組測序,組裝了北平頂猴的參考基因組。通過北平頂猴、獼猴、南平頂猴、食蟹猴和非洲綠猴蛋白編碼基因比較,發(fā)現(xiàn)有3個與HIV-1復(fù)制密切相關(guān)的基因(TLR8、MAVS和CR2)在北平頂猴基因組中受到正選擇。北平頂猴的TLR8與獼猴同源基因相比,有9個正選擇作用的氨基酸突變。功能實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)北平頂猴TLR8激活炎癥反應(yīng)的能力減弱,這可能是HIV-1感染北平頂猴后免疫活化低的重要原因。?
另外,研究團(tuán)隊(duì)還對SIVmac239、HIV-1NL4-R3A、stHIV-1sv感染北平頂猴后連續(xù)時間點(diǎn)的外周血單核細(xì)胞進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測序。通過整合基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),篩選與HIV-1復(fù)制水平低下的相關(guān)候選基因,發(fā)現(xiàn)在HIV-1感染北平頂猴后上調(diào)的基因中,有一部分干擾素誘導(dǎo)基因(ISG)在感染1-2周迅速上調(diào),其中IFI27基因上調(diào)最顯著。北平頂猴的IFI27基因與人的同源基因相比發(fā)生了大量突變。在體外過表達(dá)和敲低實(shí)驗(yàn)中,均發(fā)現(xiàn)北平頂猴IFI27可能是北平頂猴特異的HIV-1限制因子,可特異地抑制HIV-1復(fù)制,但不抑制SIV復(fù)制,這可能也是HIV-1在北平頂猴中低水平復(fù)制的重要機(jī)制。?
以上研究以Genomic evidence for the nonpathogenic state in HIV-1-infected northern pig-tailed macaques為題,發(fā)表于《Molecular Biology and Evolution》。? ???
此外,鄭永唐團(tuán)隊(duì)和吳東東團(tuán)隊(duì)基于獼猴屬大規(guī)模基因組數(shù)據(jù)分析,意外地發(fā)現(xiàn)獅尾猴與北平頂猴有最近的親緣關(guān)系,而非傳統(tǒng)分類上認(rèn)為的南、北平頂猴的關(guān)系最近,提示獅尾猴可能與平頂猴一樣可以感染HIV-1病毒。研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)獅尾猴與平頂猴一樣,其宿主限制因子TRIM5ɑ與Cyp A融合,表達(dá)的融合蛋白TRIMCyp從而不能限制HIV-1的復(fù)制。?在細(xì)胞水平的功能實(shí)驗(yàn)也證實(shí)獅尾猴可感染HIV-1病毒,提出獅尾猴是繼南、北平頂猴之后另一種可直接感染HIV-1病毒的舊大陸猴?(Science Advances. eadd3580, 2023)。?

圖注:不同獼猴TRIM5基因結(jié)構(gòu)以及獅尾猴外周血細(xì)胞HIVNL4-3病毒感染實(shí)驗(yàn)。圖A表示不同獼猴TRIM5基因和主要轉(zhuǎn)錄本的剪接形式,和南、北平頂猴一樣,獅尾猴的TRIM5基因同樣存在CypA2基因的插入;圖B和C表示獅尾猴(Msil)和北平頂猴(NPM)外周血PBMC細(xì)胞在感染HIVNL4-3病毒42h和72h后通過檢測病毒RNA和P24蛋白所示的病毒載量。? ???
五、靈長類支系特異性加速演化元件的解析和功能研究?
基因調(diào)控元件的突變研究有助于解析人類和非人靈長類之間基因組相似性與表型分歧的遺傳基礎(chǔ)。調(diào)控元件通過與轉(zhuǎn)錄因子/調(diào)控蛋白相互作用,調(diào)控特定基因的時空表達(dá)模式,進(jìn)而在生物的表型進(jìn)化中發(fā)揮重要作用。在長時間的進(jìn)化歷程中,有些基因組序列具有高度的保守性,表明這些DNA元件可能具有重要的生物學(xué)功能。到目前為止,靈長類不同演化支系中這些保守DNA元件對靈長類物種表型多樣性貢獻(xiàn)度仍然不清楚。?
該研究通過大規(guī)模靈長類比較基因組學(xué)解析,鑒定了靈長類關(guān)鍵演化節(jié)中快速演化的基因組保守元件,解析了這些快速演化的DNA保守序列對靈長類動物表型多樣性演化造成的功能影響。該研究為深入了解靈長類動物演化、尤其為人類大腦獨(dú)特演化發(fā)育模式研究提供了新見解。?
以上研究以Lineage-specific accelerated sequences underlying primate evolution為題,發(fā)表于《Science Advances》。吳東東和張國捷為文章的共同通訊作者。? ???


圖注:整合大量高質(zhì)量靈長類基因組提高了人類快速演化區(qū)域的分辨率 ???
除以上研究論文外,靈長類基因組計劃所釋放的參考基因組,作為基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù),在Science??渌芯恐邪缪葜匾巧?,推動靈長類動物的基因組多樣性研究(A global catalog of whole-genome diversity from 233 primate species)、人類和非人靈長類遺傳耐受性變異譜構(gòu)建(The landscape of tolerated genetic variation in humans and primates)以及靈長類動物不完全譜系分選動態(tài)圖譜的構(gòu)建和解析(Pervasive incomplete lineage sorting illuminates speciation and selection in primates)。這些研究分別從不同的視角和領(lǐng)域揭示了靈長類動物的演化歷史和規(guī)律,它們對將來靈長類動物資源的合理開發(fā)、利用以及物種多樣性保護(hù)和生命醫(yī)學(xué)研究具有重要意義。? ???
靈長類基因組計劃相關(guān)研究工作得到了中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委員會、云南省科技廳、昆明動物研究所等單位的資助和支持,也是模式動物(靈長類)表型與遺傳研究設(shè)施建設(shè)進(jìn)展的階段性重大成果。 ???
文章鏈接1:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn6919?
文章鏈接2:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8621?
文章鏈接3:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add3580?
文章鏈接4:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl4997?
文章鏈接5:https://academic.oup.com/mbe/article/40/5/msad101/7150876?
文章鏈接6:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adc9507?
文章鏈接7:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7829?
文章鏈接8:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn8197?
文章鏈接9:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn4409?