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??w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。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)。
靈長類基因組計劃的牽頭科學(xué)家,中國科學(xué)院昆明動物研究所吳東東研究員介紹,這次研究歷時五年時間,非人靈長類作為人類近親,是研究人類復(fù)雜性狀起源與進(jìn)化的關(guān)鍵類群,但目前靈長類動物遺傳信息解析進(jìn)展緩慢。為了填補(bǔ)靈長類遺傳資源和進(jìn)化生物學(xué)機(jī)制方面的不足,中國科學(xué)院昆明動物研究所于2018年,聯(lián)合國內(nèi)外多家科研單位發(fā)起“靈長類基因組計劃”。依托模式動物表型和遺傳研究國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,圍繞靈長類大尺度比較基因組學(xué)和復(fù)雜性狀演化、基因組多樣性、社會系統(tǒng)復(fù)雜性、物種形成、疾病變異位點(diǎn)的演化等重大科學(xué)問題,開展系列原創(chuàng)性研究。
Science 和 Nature 雜志同時對研究成果做了新聞報道
1.https://www.science.org/content/article/hundreds-new-primate-genomes-offer-window-human-health-and-our-past

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??炫炚撐模?/strong>
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)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。
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)隊和昆明動物所吳東東團(tuán)隊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。基于現(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?! ?nbsp;
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,也是模式動物表型與遺傳研究設(shè)施(靈長類設(shè)施)建設(shè)進(jìn)展的階段性重大成果。
設(shè)施依托現(xiàn)有條件和團(tuán)隊,在邊建設(shè)邊運(yùn)行期間,切實支撐了靈長類動物模型與疾病機(jī)理研究,創(chuàng)建了系列靈長類動物基因修飾模型,為疾病機(jī)理解析和干預(yù)奠定了基礎(chǔ)。通過設(shè)施的運(yùn)行,將集合靈長類實驗動物和醫(yī)藥生物資源的優(yōu)勢,匯聚靈長類動物研究和動物實驗的高層次人才,打造國際一流的技術(shù)支撐體系,成為引領(lǐng)領(lǐng)域發(fā)展的國際合作基地,實現(xiàn)原創(chuàng)性重大理論和核心關(guān)鍵技術(shù)突破,成為領(lǐng)域科技制高點(diǎn)。