蛇类是爬行动物中数量极为庞大的一支，它们在自然界中占据十分重要的地位。全世界约有4000种蛇，它们颜色不同，形态各异，适应能力强，广泛分布于除南极之外的各个大洲，栖息在各种各样的生态环境中，以高度特化的重要表型如四肢缺失、脊柱延长、视觉和听觉退化、红外感应增强、肺脏器官不对称等，成为脊椎动物演化史上一独特的类群。揭示蛇类中这些特殊表型的遗传机制，对理解脊椎动物演化历史具有重要意义。
6月19日，中国科学院成都生物研究所李家堂团队基于大规模多组学技术与基因编辑等研究手段，全面揭示了蛇类起源及特有表型演化的遗传机制。相关论文以“Large-scale snake genome analyses provide insights into vertebrate development”为题，发表于国际期刊《细胞》（Cell）。
“我们研究选取了全球极具代表性的不同支系的蛇类，基于组学大数据构建了迄今为止最有力的蛇类系统学框架，整合多维度遗传数据及基因编辑等交叉研究手段，系统阐释了蛇类的起源与特有表型的演化遗传机制。”李家堂告诉红星新闻记者，蛇类是脊椎动物演化历史上的关键节点，也是脊椎动物演化历史上的关键类群。研究率先启动了全球蛇类的组学研究，阐明了蛇类特殊表型，比如大众所熟知的四肢缺失、肺不对称发育等现象背后的遗传机制，将对理解脊椎动物复杂性状的演化具有重要意义，也为人类疾病的防治提供重要的科学支撑作用，推动相关学科快速发展。
(资料图)
▲蛇类四肢缺失、身体延长、内脏器官不对称发育等重要遗传机制
没有四肢的四足动物
揭示蛇类演化的“断舍离”
该研究的成果之一，是揭示蛇类PTCH1蛋白特异性缺失的三个氨基酸残基可能是其四肢缺失的重要遗传机制。
“我们的研究发现，蛇类起源于约1.18亿年前早白垩纪，蛇类的祖先是有脚的，和我们今天看到的蜥蜴一样。由于环境变化，蛇的祖先进入地下生活，而在这样的生存环境下，四肢成为了运动的阻碍。于是在接下来的亿万年中，它们逐渐失去了四肢。”李家堂表示，研究表明，蛇类与最近缘的蜥蜴（帝王蛇蜥和科摩多巨蜥等类群的最近共同祖先）是姐妹枝，提示蛇类的祖先可能是某种蜥蜴。
四肢的丢失往往伴随着身体的延长，蛇的脊椎数目可达数百枚，是其他常见脊椎动物的2—3倍。
“身体拉长，控制脊椎前端发育（FOXC2）和后端发育（DLC）的重要基因受到强烈正选择，提示它们可能也对蛇类脊柱数增加有重要贡献，可为未来的动物遗传育种实验研究提供新的材料。”李家堂说，得益于密集的脊椎骨和精密的肌肉系统，虽然没有四肢，但蛇类的动作灵活度极其敏捷。
而为了适应身体延长，蛇类的内脏器官发生了不对称发育。例如，其左肺大多趋近于退化，而右肺则较为发达。研究表明，蛇类丢失了控制器官对称发育的DNAH11和FXJ1B基因，是其左、右肺不对称发育的重要遗传因素。
▲蛇类感官系统演化
此外，蛇的嘴巴可以张到很大，最大可以达到130度，因此可以吞下比自己头部大的猎物。“我们研究发现，有7个与头部发育相关的基因在蛇类中发生了变化，这可能是他们能够‘吞象’的天赋来源。”
在漫长的演化历程中，有一部分蛇类甚至进化出感知红外热辐射的能力。蟒蚺和蝮蛇以其特殊的红外感受器官——唇窝和颊窝而闻名于世，这能辅助他们在光线不足的情况下捕猎以及躲避天敌。
▲盲蛇和红外感应蛇类的演化
“研究发现在这两种蛇中，与热感和温感相关的基因及调控元件都发生了改变，使得他们获得了感知红外的能力。”李家堂说，研究还探讨了红外感应蛇类和穴居的盲蛇类物种特殊表型的演化遗传机制——
研究发现，与热响应相关的PMP22基因和与三叉神经发育相关的NFIB基因的非编码调控元件的趋同演化是部分蛇类感知红外光谱的重要遗传驱动力。而盲蛇类物种则通过RPGRIP1等基因的丢失及CHIA等基因的快速演化以适应穴居生活，并形成专食蚂蚁及蚂蚁卵的食性。
谈意义：
除了生物学，还将给人类相关疾病研究提供科学支撑
从项目立项到产出成果，李家堂团队前后共耗费约5年时间。该成果不仅仅是生物学研究，还将给人类相关疾病研究提供科学支撑。
李家堂告诉记者，该研究率先启动了全球蛇类大规模组学研究，阐明了四肢缺失、肺不对称发育等特殊表型的遗传机制，对理解脊椎动物复杂表型的演化具有重要意义，将进一步推动爬行乃至脊椎动物演化发育生物学研究。同时，亦可为动物遗传育种及人类复杂性状及疾病的研究提供重要启示，推动相关学科的发展。
▲蛇类系统发育框架
他以人类先天性疾病——肺病研究为例，普通动物小白鼠左右两侧肺是均等的，但如果用左、右肺不对称发育的蛇类来做模式动物，就能很好地找到肺部非对称生长的原因。这将为后期人类从遗传层面上研究肺部疾病提供重要的参考价值。另一方面，蛇的四足缺失也可为人类肢部缺陷相关疾病提供重要遗传学参考价值。此外，蛇的红外感知能力也能为仿生技术及盲人治疗提供科学支撑。
“研究团队将推动从基础科学到应用基础科学的发展，更好地服务国家重大战略需求。”李家堂透露，该项目研究并未终止。未来，其团队将聚焦开发玉米蛇为模式动物并开展演化发育生物学研究。同时，围绕蛇毒等重要遗传资源的挖掘和运用，为抗蛇毒血清及蛇毒衍生药物的研发提供科学支撑。
红星新闻记者 彭祥萍
编辑 成序
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