近期，中国海洋大学海洋生物遗传学与育种教育部重点实验室包振民院士和方宗熙-萨斯海洋分子生物学研究中心王师教授团队在贝类同形性染色体进化、海参皂苷合成机制解析等方向取得重要进展，研究成果分别发表在国际生态与进化领域顶级期刊Nature子刊Nature Ecology & Evolution（Ancient homomorphy of molluscan sex chromosomes sustained by reversible sex-biased genes and sex determiner translocation，软体动物古老同形性染色体及其性偏好基因反转和决定子易位驱动维持机制）和国际化学生物学领域顶级期刊Nature子刊Nature Chemical Biology（Biosynthesis of saponin defensive compounds in sea cucumber，海参皂苷防御组分的生物合成机制）。上述研究是该团队继扇贝、仿刺参基因组和转录组解析工作之后（Nature Ecology & Evolution，2017封面论文；Nature Communications，2017；Cell Discovery 2018；Nature Ecology & Evolution，2020亮点论文)，在海洋生物遗传和进化领域持续取得的重要标志性成果。
性别起源进化被誉为进化生物学谜题之皇后，是生命科学领域最具吸引力和最热门研究方向之一，而性染色体如何产生与进化更是其中的核心科学问题。一百多年来，围绕具异形性染色体的经典模式生物所展开的相关研究，形成了性染色体进化的传统理论模型，即认为性染色体起源于常染色体，性别决定基因的出现会引起性染色体间发生重组抑制，直至退化成异形性染色体（两条性染色体一长一短）。这一传统理论长期主导了学界对性染色体进化的基本观点。但与之相悖的是，自然界中同形性染色体（两条性染色体无明显分化）比异形性染色体更为普遍存在，却往往被学界解释为仍处于性染色体“进化早期”或只是“规则外的个例”。这不禁让人怀疑，异形性染色体真的是性染色体进化的最终命运吗？为解答这一关键问题，研究团队将视角转向古老起源的海洋冠轮动物类群（动物三大类群之一），通过绘制并收集了横跨整个扇贝科的8个代表性物种染色体水平基因组，利用多组学手段首次鉴定到冠轮动物同形性染色体（ZW）、控制性别决定的主效基因和保守增强子。研究团队惊讶地发现扇贝性染色体呈高度未分化状态且已维持至少3.5亿年之久，是动物界中已知最古老的同形性染色体，甚至比鸟类、哺乳动物等经典异形性染色体分化形成时间的两倍还要久。这一惊人发现有力反驳了同形性染色体仍处“进化早期”的传统论断。通过深入分析发现，与异形性染色体相比，同形性染色体上显著富集大量双向性别偏好基因（即存在雌雄表达偏好的可逆性反转），这些基因多能性的进化限制可能是维持性染色体不分化的普适性机制。此外，发现由性别决定增强子易位所驱动的性染色体转换也是维持同形性染色体的重要因素。通过跨动物类群比较分析，发现当性染色体从同形向异形转变时，需要性二态和性选择压力的驱动，并通过基因加倍将双向性别偏好基因亚功能拆分，以解除其基因多能性的进化限制。这一发现揭示了同形性染色体的稳态维持才是性染色体进化的“常规”，驳斥了传统理论模型的“同形→异形”进化宿命论，从而更好地解释了为何自然界中同形性染色体比异形性染色体更为普遍存在的现象。本研究提出了性染色体维持和分化的新进化模型，修正了传统理论模型的缺陷，为理解性别起源进化和遗传调控开辟了崭新的研究视角。
图1. 本研究提出的性染色体进化的新模型
海参作为海产八珍之一，具有重要的营养价值和药用价值，素有“陆有人参，海有海参”之说。海参含有丰富的海参皂苷，是其药用价值的主要组分，具有增强机体免疫力、抗肿瘤、抗菌等多种重要生物活性。皂苷合成广泛存在于植物界中，但仅少数动物中（如海参、海星）存在合成能力，作为先天免疫系统的重要组分，发挥着化学防御的关键作用。那么这些动物是如何获得皂苷合成能力的？长久以来一直是个未解之谜。团队前期的研究工作发现，动物胆固醇合成途径中的关键基因LSS（羊毛固醇合酶）通过快速趋同进化获得植物类基序，从而使海参获得皂苷合成能力（Cell Discovery 2018）。通过与英国约翰英纳斯中心Anne Osbourn教授团队深入合作，本研究进一步确证了LSS基因为海参皂苷合成的关键基因，并通过大量酵母突变实验，揭示该基因第444位氨基酸突变是导致从胆固醇合成途径向皂苷合成途径转换的关键。本研究还发现，LSS基因在海参中通过基因复制和新功能化，产生两个不同功能的氧化角鲨烯环化酶OSCs（PS和LDS），其中PS和LDS可合成不同种类的三萜类皂苷（“矛”），作为海参化学防御的物质基础，而PS还可同时合成特殊的抗皂苷固醇（“盾”），帮助海参自身细胞耐受皂苷毒性。团队前期研究和该最新研究共同解答了海参如何合成具细胞毒性皂苷，而自身却无碍的双重谜团，即通过LSS基因的加倍后双向功能分化，从而产生其生化武器皂苷的“矛”和“盾”。这一原创性发现不仅解答了动物获得皂苷合成能力的进化起源之谜，也为实现海参皂苷体外生物工程合成提供了新思路。该研究成果在Nature Chemical Biology发表后，得到国际同行的高度关注，并被美国科学促进会EurekAlert、ScienceDaily、TheScientist等多家国际知名媒体广泛报道和高度评价。
图2. 海参皂苷合成途径与经典动植物固醇合成途径比较
海洋生物遗传学与育种教育部重点实验室和方宗熙-萨斯海洋分子生物学研究中心王师教授、张玲玲教授和海洋生物多样性与进化研究所包立随副教授为Nature Ecology & Evolution论文的共同通讯作者。Nature Chemical Biology论文为包振民院士、王师教授团队与Anne Osbourn教授团队再度合作取得的重要成果，该工作也得到大连海洋大学常亚青教授、辽宁海洋水产科学研究院周遵春研究员大力支持。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省泰山学者计划等项目资助。
通讯员：王志刚