基因证实“画蛇可添足”
为适应穴居生活，蛇在演化中淘汰了四肢的艺术图。中国科学院成都生物所供图
成语有云：画蛇添足，形容做事多此一举。但蛇真的无脚吗？爬行动物专家认为，蛇的祖先是蜥蜴，在远古时期，蛇是有脚的，只是在演化过程中慢慢失去了。近日，这一说法得到了进一步证实。
经过5年的研究，基于大规模多组学技术与基因编辑等手段，中国科学院成都生物研究所（以下简称成都生物所）研究员李家堂团队全面揭示了蛇类起源及特有表型演化的遗传机制。相关论文6月19日在《细胞》正式上线。
科研团队画了一张“家谱”——基于染色体水平蛇类基因组数据集构建了迄今最有力的蛇类系统发育框架，进一步支持了蛇类起源于约1.18亿年前早白垩纪和蛇是由蜥蜴演化而来的假说。
“迄今最有力”意为研究的物种覆盖更广，收集的数据更多，基因测序更全也更可信。
同时，他们还找到了一些“罪魁祸首”，即影响或导致蛇四肢缺失、身体延长、器官不对称的基因或调控元件，揭示了背后重要的遗传机制。
样本选取以“最少”覆盖“更多”
地球上生活着各种各样的蛇。这些蛇何时“出世”？亲缘关系如何？祖先是谁？爬行动物专家一直试图画出蛇族“家谱”，即系统发育树状图。
“基于基因组学，之前有研究者就蛇类某个单一的属或科，做了系统发育框架。”但李家堂想要画一张覆盖更广、更具全球视角的“图”。2015年他开始谋划，并于2018年正式启动。
全球有4000多种蛇，共35个科，每个科下所属的数量并不均衡，因此，样本选取非常重要。
“我们要以‘最少’的样本覆盖‘更多’的科，选取的样本不在于多，能刚好代表和尽量覆盖所有科的特征就行。”论文第一作者、成都生物所助理研究员任金龙说。
最终，研究团队选取了12个不同科的蛇进行基因组测序，采集的样本量能够覆盖代表84%现生蛇类类群的科级阶元。
基因组测序对样本要求较高，为了获取新鲜样本，团队每年会花上两三个月外出科考，足迹遍布华南、华北和西南。他们行至高原，找到了温泉蛇属一属三种；他们步入新疆沙漠，带回了东方沙蟒的珍贵样本……涉及国外类群，团队就通过国际合作获取相关样本进行测序，或直接共享数据。
选择哪一部分身体组织进行基因提取也有讲究。“蛇的体形比较小，身体组织不太容易保存。”论文第一作者、成都生物所博士生彭长军介绍，从蛇的肝脏、肌肉组织里提取，效果会更好。
值得一提的是，数据采集期间，除了选取蛇类近缘的内群样本，团队也收集了可能会有近缘关系的外群样本，如科莫多巨蜥、扬子鳄等，看是否能通过基因组学手段印证猜想。
“家谱”推测蛇类起源于早白垩纪
样本采集好后，通过多种高通量测序技术，团队从头组装了代表12个不同蛇科的14个高质量参考基因组，其中有12个为染色体水平，说明这次研究数据精细到染色体的层面。
“而且我们测定的是全基因组数据，获取了更多的遗传信息来印证和支持我们的假说。”李家堂说。
基于对数据的研究，团队构建了一个蛇类“家谱”树状图，描述了不同物种或类群的亲缘、进化关系，以及大致出现的顺序。
要想确定物种出现的大致时间，一般会用到化石校正点的方法。
“例如我们要推测游蛇科出现的时间，就要先找到迄今为止发现最早的游蛇类化石。”任金龙表示，类群出现的时间绝不会晚于化石形成的时间。“我们以此作出推断，并对之前构建的系统发生树时间节点进行校正。”
校正完成后，蛇类系统发育框架基本搭建完成。其横向是时间、纵向是系统发生树。通过这个系统框架可见，蛇类起源于1.18亿年前早白垩纪，与最近缘的类群，即科莫多巨蜥与帝王蛇蜥的最近共同祖先是姐妹枝，提示了蛇类的祖先可能是某种蜥蜴。
蛇类最先分化出的类群为盲蛇，在距今6500万年前的白垩纪-早第三纪分界点，树状图显示分化的点多且分支变密集。“当时正值恐龙大灭绝，提供了大量生态位，使蛇类有了快速辐射式增长。”任金龙指出。
蛇是如何淘汰四肢的？
因为环境变化，蛇的祖先开始了穴居生活。为更好适应环境，其阻碍行动的四肢被“淘汰”。在后续演化中，因视力所限，部分蛇发展出其他定位猎物的本领，如感知红外线。
慢慢的，蛇的分布越来越广，南极洲以外的陆地、海洋、森林、高原和荒漠，都有它们的踪迹。“我们想从基因的角度解读它们是如何适应这些复杂环境的。”李家堂表示。
任金龙指出，此次研究中，经过对比发现，蛇的PTCH1基因有可能影响四肢发育。“这个基因在人类、蛇类、小鼠中都有，但是发挥的‘效用’不相同，其中蛇类的PTCH1基因蛋白特异性缺失了3个氨基酸残基。”
团队利用基因编辑小鼠，让蛇类PTCH1基因序列中的“缺陷”在小鼠中实现，发现小鼠的四肢，尤其是指骨方面有明显的缩短。基于此可以判断，蛇类PTCH1氨基酸中片段的缺失很可能影响四肢发育。
团队发现，四肢丢失后，蛇类的体节数增加，且身体被拉长，这正是因为控制脊椎前端发育和后端发育的重要基因受到强烈正选择的结果。
此外，研究团队发现蛇类丢失了控制器官对称发育的DNAH11和FXJ1B基因。“可能这就是导致其左右肺不对称、只有一侧右肺的原因，因为要去适应身体的延长。”李家堂表示。
蛇有得天独厚的感热器官颊窝，里面有一厚约10微米、布满神经末梢的薄膜，对红外光特别敏感，能测出小至0.002℃的温度变化，帮助蛇辨别猎物的位置。围绕这一特性，研究团队探究了蛇类红外感应演化遗传机制，发现了与热响应相关的PMP22基因，以及与三叉神经发育相关的NFIB基因的非编码调控元件在部分蛇类中趋同演化，成为这类蛇感知红外光谱的重要遗传驱动力。
助力抗蛇毒药物研发
李家堂介绍，蛇处于脊椎动物演化的关键节点，因而具有高度特化的重要表型，如四肢缺失、脊柱延长等，被视为脊椎动物演化史上一个独特的类群，是研究动物复杂性状形成机制的理想物种。
团队率先开展了爬行动物大规模组学研究，其成果促进了人们对蛇类起源及其复杂性状形成机制的理解，推动了爬行动物乃至脊椎动物演化发育生物学的发展。
从医学角度讲，研究揭示的遗传信息将为动物遗传育种及人类复杂疾病的研究提供重要启示。例如可以通过深入研究揭示导致蛇肺不对称的遗传机制，帮助解析人类相关疾病的成因，以探索治疗办法。
此外，研究蛇类红外感应这一特性，有助于开发设计仿生蛇类红外探测原理的产品，应用于实际生活。
采访中，李家堂透露，团队将推动从基础科学到应用基础科学的发展。“我们将以玉米蛇为模式动物，开展演化发育生物学研究。同时，根据这次研究的思路和方法，开展蛇毒等重要遗传资源的挖掘和应用，为抗蛇毒血清及蛇毒衍生药物的研发提供科学支撑。”
基因证实“画蛇可添足”
为适应穴居生活，蛇在演化中淘汰了四肢的艺术图。中国科学院成都生物所供图
成语有云：画蛇添足，形容做事多此一举。但蛇真的无脚吗？爬行动物专家认为，蛇的祖先是蜥蜴，在远古时期，蛇是有脚的，只是在演化过程中慢慢失去了。近日，这一说法得到了进一步证实。
经过5年的研究，基于大规模多组学技术与基因编辑等手段，中国科学院成都生物研究所（以下简称成都生物所）研究员李家堂团队全面揭示了蛇类起源及特有表型演化的遗传机制。相关论文6月19日在《细胞》正式上线。
科研团队画了一张“家谱”——基于染色体水平蛇类基因组数据集构建了迄今最有力的蛇类系统发育框架，进一步支持了蛇类起源于约1.18亿年前早白垩纪和蛇是由蜥蜴演化而来的假说。
“迄今最有力”意为研究的物种覆盖更广，收集的数据更多，基因测序更全也更可信。
同时，他们还找到了一些“罪魁祸首”，即影响或导致蛇四肢缺失、身体延长、器官不对称的基因或调控元件，揭示了背后重要的遗传机制。
样本选取以“最少”覆盖“更多”
地球上生活着各种各样的蛇。这些蛇何时“出世”？亲缘关系如何？祖先是谁？爬行动物专家一直试图画出蛇族“家谱”，即系统发育树状图。
“基于基因组学，之前有研究者就蛇类某个单一的属或科，做了系统发育框架。”但李家堂想要画一张覆盖更广、更具全球视角的“图”。2015年他开始谋划，并于2018年正式启动。
全球有4000多种蛇，共35个科，每个科下所属的数量并不均衡，因此，样本选取非常重要。
“我们要以‘最少’的样本覆盖‘更多’的科，选取的样本不在于多，能刚好代表和尽量覆盖所有科的特征就行。”论文第一作者、成都生物所助理研究员任金龙说。
最终，研究团队选取了12个不同科的蛇进行基因组测序，采集的样本量能够覆盖代表84%现生蛇类类群的科级阶元。
基因组测序对样本要求较高，为了获取新鲜样本，团队每年会花上两三个月外出科考，足迹遍布华南、华北和西南。他们行至高原，找到了温泉蛇属一属三种；他们步入新疆沙漠，带回了东方沙蟒的珍贵样本……涉及国外类群，团队就通过国际合作获取相关样本进行测序，或直接共享数据。
选择哪一部分身体组织进行基因提取也有讲究。“蛇的体形比较小，身体组织不太容易保存。”论文第一作者、成都生物所博士生彭长军介绍，从蛇的肝脏、肌肉组织里提取，效果会更好。
值得一提的是，数据采集期间，除了选取蛇类近缘的内群样本，团队也收集了可能会有近缘关系的外群样本，如科莫多巨蜥、扬子鳄等，看是否能通过基因组学手段印证猜想。
“家谱”推测蛇类起源于早白垩纪
样本采集好后，通过多种高通量测序技术，团队从头组装了代表12个不同蛇科的14个高质量参考基因组，其中有12个为染色体水平，说明这次研究数据精细到染色体的层面。
“而且我们测定的是全基因组数据，获取了更多的遗传信息来印证和支持我们的假说。”李家堂说。
基于对数据的研究，团队构建了一个蛇类“家谱”树状图，描述了不同物种或类群的亲缘、进化关系，以及大致出现的顺序。
要想确定物种出现的大致时间，一般会用到化石校正点的方法。
“例如我们要推测游蛇科出现的时间，就要先找到迄今为止发现最早的游蛇类化石。”任金龙表示，类群出现的时间绝不会晚于化石形成的时间。“我们以此作出推断，并对之前构建的系统发生树时间节点进行校正。”
校正完成后，蛇类系统发育框架基本搭建完成。其横向是时间、纵向是系统发生树。通过这个系统框架可见，蛇类起源于1.18亿年前早白垩纪，与最近缘的类群，即科莫多巨蜥与帝王蛇蜥的最近共同祖先是姐妹枝，提示了蛇类的祖先可能是某种蜥蜴。
蛇类最先分化出的类群为盲蛇，在距今6500万年前的白垩纪-早第三纪分界点，树状图显示分化的点多且分支变密集。“当时正值恐龙大灭绝，提供了大量生态位，使蛇类有了快速辐射式增长。”任金龙指出。
蛇是如何淘汰四肢的？
因为环境变化，蛇的祖先开始了穴居生活。为更好适应环境，其阻碍行动的四肢被“淘汰”。在后续演化中，因视力所限，部分蛇发展出其他定位猎物的本领，如感知红外线。
慢慢的，蛇的分布越来越广，南极洲以外的陆地、海洋、森林、高原和荒漠，都有它们的踪迹。“我们想从基因的角度解读它们是如何适应这些复杂环境的。”李家堂表示。
任金龙指出，此次研究中，经过对比发现，蛇的PTCH1基因有可能影响四肢发育。“这个基因在人类、蛇类、小鼠中都有，但是发挥的‘效用’不相同，其中蛇类的PTCH1基因蛋白特异性缺失了3个氨基酸残基。”
团队利用基因编辑小鼠，让蛇类PTCH1基因序列中的“缺陷”在小鼠中实现，发现小鼠的四肢，尤其是指骨方面有明显的缩短。基于此可以判断，蛇类PTCH1氨基酸中片段的缺失很可能影响四肢发育。
团队发现，四肢丢失后，蛇类的体节数增加，且身体被拉长，这正是因为控制脊椎前端发育和后端发育的重要基因受到强烈正选择的结果。
此外，研究团队发现蛇类丢失了控制器官对称发育的DNAH11和FXJ1B基因。“可能这就是导致其左右肺不对称、只有一侧右肺的原因，因为要去适应身体的延长。”李家堂表示。
蛇有得天独厚的感热器官颊窝，里面有一厚约10微米、布满神经末梢的薄膜，对红外光特别敏感，能测出小至0.002℃的温度变化，帮助蛇辨别猎物的位置。围绕这一特性，研究团队探究了蛇类红外感应演化遗传机制，发现了与热响应相关的PMP22基因，以及与三叉神经发育相关的NFIB基因的非编码调控元件在部分蛇类中趋同演化，成为这类蛇感知红外光谱的重要遗传驱动力。
助力抗蛇毒药物研发
李家堂介绍，蛇处于脊椎动物演化的关键节点，因而具有高度特化的重要表型，如四肢缺失、脊柱延长等，被视为脊椎动物演化史上一个独特的类群，是研究动物复杂性状形成机制的理想物种。
团队率先开展了爬行动物大规模组学研究，其成果促进了人们对蛇类起源及其复杂性状形成机制的理解，推动了爬行动物乃至脊椎动物演化发育生物学的发展。
从医学角度讲，研究揭示的遗传信息将为动物遗传育种及人类复杂疾病的研究提供重要启示。例如可以通过深入研究揭示导致蛇肺不对称的遗传机制，帮助解析人类相关疾病的成因，以探索治疗办法。
此外，研究蛇类红外感应这一特性，有助于开发设计仿生蛇类红外探测原理的产品，应用于实际生活。
采访中，李家堂透露，团队将推动从基础科学到应用基础科学的发展。“我们将以玉米蛇为模式动物，开展演化发育生物学研究。同时，根据这次研究的思路和方法，开展蛇毒等重要遗传资源的挖掘和应用，为抗蛇毒血清及蛇毒衍生药物的研发提供科学支撑。”