近日，中科院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室林強研究員團隊取得了“基因單個位點敲除導致整個動物器官丟失”的創(chuàng)新性研究進展，揭示了海馬基因tlx1的特異性位點突變（tlx1A208T）調(diào)控其脾臟丟失的遺傳機制，并首次提出海馬“脾臟丟失”與“雄性懷孕”協(xié)同演化的新觀點。德國康斯坦茨大學、基爾大學研究團隊在免疫耐受研究層面進行了聯(lián)合解析，相關(guān)研究成果于12月9日在線發(fā)表于Nature Communications（《自然·通訊》）。
(相關(guān)資料圖)
在動物界中，海龍科諸多物種“脾臟丟失”這一復雜性狀是脊椎動物最為特異的進化特征之一（圖1），也是當前國際學術(shù)界在魚類演化領(lǐng)域所關(guān)注的焦點。海龍科魚類具有“雄性懷孕”的獨特繁殖模式，而作為“雄性懷孕”重要器官的育兒袋在進化過程中展現(xiàn)出了多種形式（Science Advances, 2021），并與哺乳動物的子宮呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)與基因的趨同進化現(xiàn)象（Nature, 2016; National Science Review, 2021）。在脊椎動物中，“雌性懷孕”已經(jīng)獨立進化了150多次，雖然這一繁殖策略為后代提供了明顯的生存優(yōu)勢，但親本在妊娠期間卻一直經(jīng)受著免疫耐受與免疫保護的權(quán)衡，即如何平衡親本耐受與異體胚胎的免疫保護？在該研究領(lǐng)域，哺乳動物胚胎發(fā)育過程中的免疫調(diào)控研究報道較多，而“雄性懷孕”繁殖系統(tǒng)作為在脊椎動物中的一個全新研究體系，其雄性懷孕與免疫系統(tǒng)的協(xié)同進化機理仍是未知。
海馬脾臟丟失及其獨特的繁殖特征
動物進化多樣性與免疫系統(tǒng)的復雜性是密切相關(guān)的。脾臟作為免疫系統(tǒng)的重要器官，在機體免疫過程中發(fā)揮著重要作用。海馬等物種缺少脾臟，這在脊椎動物中是非常罕見的特異進化事件；那么，海馬脾臟丟失的遺傳基礎(chǔ)如何？其免疫系統(tǒng)上的缺陷與“雄性懷孕”繁殖策略之間的進化關(guān)系如何？
海馬繁殖策略演化及其免疫系統(tǒng)關(guān)鍵基因丟失
基于上述科學問題，研究團隊首先將海馬與其他9個不同目的硬骨魚進行比較基因組學分析，發(fā)現(xiàn)海馬屬中有1260個基因家族顯著收縮。涵蓋了多個免疫相關(guān)通路，如NOD樣受體通路、異體移植物排斥反應(yīng)、抗原處理和呈遞等，基因丟失（gene loss）分析也同樣支持這一結(jié)論（圖2）。這一結(jié)果表明免疫相關(guān)基因家族的收縮或丟失在很大程度上促進了海馬免疫系統(tǒng)中的修飾，并可能與其“雄性懷孕”及育兒袋結(jié)構(gòu)的特異進化有關(guān)。
研究團隊進一步聚焦海馬“脾臟丟失”的遺傳與進化機制解析。全基因組譜系特異性突變（lineage-specific mutation）分析表明，18種海馬T-cell leukemia homeobox 1 (tlx1)基因的homeobox結(jié)構(gòu)域存在一個譜系特異性位點突變（即丙氨酸Alanine→蘇氨酸Threonine，tlx1A208T）（圖3）。而特別值得注意的是，作為海馬的近緣物種綠海龍（Syngnathoides）則保留有完整的脾臟，并且不存在該位點突變。
海馬屬tlx1基因的特異性位點突變
已有研究表明，tlx1是人、小鼠等脾臟發(fā)育的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果，推測該位點的突變（tlx1A208T）可能是導致海馬脾臟丟失的關(guān)鍵因素。因此，為了證實這一假設(shè)，團隊利用模式物種斑馬魚實施了3次CRISPR/Cas9基因敲除驗證，結(jié)果表明， 1、全基因tlx1敲除突變品系斑馬魚（tlx1 knockout）全部表現(xiàn)為先天性脾臟丟失（11/11），2、針對海馬特異性位點的突變品系斑馬魚（tlx1A208T）亦出現(xiàn)脾臟丟失（27/27），3、相鄰位點的突變品系斑馬魚（tlx1A207T）則有完整的脾臟（17/17），該結(jié)果精確驗證了海馬tlx1A208T位點的進化特異性和功能保守性（圖4）。
CRISPR/Cas9基因編輯揭示tlx1基因的錯義突變導致斑馬魚無脾
眾所周知，動物胎生過程中成功妊娠的前提是受精卵的順利著床。盡管被母體免疫細胞識別，但母體-胎兒界面經(jīng)歷了免疫排異和免疫保護的動態(tài)變化，最終保障胎兒在子宮內(nèi)正常發(fā)育。研究團隊發(fā)現(xiàn)，在脾臟丟失的基礎(chǔ)上，海龍科物種中許多涉及抗原識別和呈遞、T/B淋巴細胞發(fā)育、補體激活等過程的基因均存在譜系特異性丟失或結(jié)構(gòu)變異，這一結(jié)果也證實了海龍科物種為了實現(xiàn)其懷孕過程而出現(xiàn)了關(guān)鍵免疫基因家族或部分調(diào)控通路的協(xié)同演化（圖5）。
海馬脾臟丟失和雄性懷孕的免疫基因組學基礎(chǔ)
綜上，該研究發(fā)現(xiàn)并證實了海馬基因單位點突變（tlx1A208T）導致其脾臟丟失的假設(shè)，首次提出了海龍科魚類“脾臟丟失”與“雄性懷孕”協(xié)同進化的新觀點。相關(guān)成果拓展了學術(shù)界對脊椎動物繁殖過程中免疫系統(tǒng)適應(yīng)進化的理解，并有望為醫(yī)學上“無脾綜合征”研究開辟新的思路。
（總臺央視記者 帥俊全 褚爾嘉）
