经典案例 | 蝴蝶鱼染色体水平基因组揭示其独特颜色及形态特征

近期，DNA Research在线发表了最新研究成果，报道了三种蝴蝶鱼和盖刺鱼科近缘种基因组，阐明了蝴蝶鱼独特颜色和形态基因组特征，强调了由串联重复产生的新基因及其潜在功能。

研究报道了三间火箭(Chelmon rostratus)、三带蝴蝶鱼(Chaetodon trifasciatus)和扬幡蝴蝶鱼(Chaetodon auriga)这三种蝴蝶鱼以及盖刺鱼科近缘种双色刺尻鱼(Centropyge bicolor)的基因组，分别获得基因组大小为638.70 Mb、667.69 Mb、636.77 Mb、681.28 Mb，scaffold N50范围为2.61~9.96 Mb, BUSCO完整性范围为95.90%~97.3%，表明这些基因组组装具有良好的连续性和完整性。利用三间火箭的133.17 Gb高质量Hi-C数据，将支架固定在24条染色体上，覆盖了总组装基因组的94.40%，24条染色体的平均GC含量为42.58%，长度在14.13~33.19 Mb之间。

为了研究生物多样性增加的潜在进化机制，研究人员构建了系统发育树，并估计了物种分化时间。发现与其他物种相比，三间火箭与另外三种以及其他外群物种基因家族数量截然不同。为了研究三间火箭是否存在特定的基因家族变化，研究人员鉴定出了58个扩张基因家族和79个收缩基因家族。GO富集结果表明，扩展后的基因家族是一个含磷酸盐化合物代谢过程，可以辅助甲壳类动物的消化过程。收缩基因家族嗅觉受体活性富集可能与其幼年期漂浮生活史有关，其鱼卵在孵化两天后随洋流漂走，并可能在具有游泳能力后通过气味回到出生时期的珊瑚礁区域。

利用来自18个物种的1202个单拷贝基因家族构建系统发育树，结果显示蝴蝶鱼科与盖刺鱼科是姊妹科，三间火箭和双色刺尻鱼的分化时间估计为6520万年前(Mya)的古新世。这一时期和随后的始新世时期形成了大多数现代礁鱼，但尚未发生大规模的谱系多样化；三带蝴蝶鱼和扬蟠蝴蝶鱼分化于15.8亿年前。系统发育分析结果表明，在渐新世和中新世(34-5.3Mya)，特提斯海珊瑚鱼物种的生物多样性迅速增加，气候变暖，珊瑚礁面积增加，这可能是蝴蝶鱼爆发的主要因素之一。

酪氨酸酶相关蛋白(TRP)基因家族包括3个成员(tyr、tyrp1和dct)是黑色素形成初期最重要的酶，包括蝴蝶鱼在内的绝大多数硬骨鱼基因组中都存在两个tyr基因拷贝(tyr1和tyr2)。对蝴蝶鱼和其他鱼类基因组的共线性分析显示，蝴蝶鱼获得了一个独特的tyrp3基因，位于mrpl16和txnl4b之间的一个区域；且色彩丰富的双色刺尻鱼和小丑鱼在同一位置也拥有该基因，这可能是一种与多色环境适应相关的遗传创新。为了探究tyr1、tyrr2和tyrp3之间的关系，研究人员对所有17个物种的相关基因序列进行了系统发育构建以探索tyrp3基因的来源，发现在5种珊瑚礁鱼类中，tyrp3与其他蛋白的相似性也表现出高度的同一性。蝴蝶鱼和小丑鱼中发现tyrp3基因的情况鲜有报道，其在酪氨酸酶表达和色素沉着增加中的功能和作用尚不清楚。

短颌和长颌蝴蝶鱼也分布在不同的系统发育位置，颅骨生物力学是该科的重要研究课题。三间火箭独特的嘴型与其他两种蝴蝶鱼明显不同，这可能是导致其饮食差异的原因。nell1已被报道参与调节人类颌骨发育并诱导骨再生和软骨再生过程，研究人员在三间火箭基因组中检测到了三个串联拷贝，其他两种蝴蝶鱼仅有一个拷贝。nell1基因位于lrp4和slc6a5之间，从鱼类到人类具有高度的保守性；nell1与slc6a5、prmt3、htatip2和dbx1a紧密连锁，且在大多数硬骨鱼中位置一致，参与骨矿化的正向调控；nell1基因是促进成骨细胞分化和晚期矿化的生长因子。因此，结合多个骨化相关基因，三间火箭特异性多拷贝可能在口型多样化中发挥重要作用，并为鱼类口型进化提供潜在线索。