遗传机制帮助哺乳动物从陆地重返海洋

近日，中国科学院深海科学与工程研究所联合西北工业大学等多家科研机构，在美国《国家科学院院刊》上发表研究成果，揭示了海洋哺乳动物适应海洋环境及其趋同演化的重要遗传机制。

该研究从科级水平出发对17个海洋哺乳动物物种进行了全基因组测序及组装，再结合已发表的海洋哺乳动物基因组数据，进行了较为全面的比较基因组学分析。研究重建了目前基于全基因组数据的最全面海洋哺乳动物系统发生树，并进一步从基因组演化、基因演化、非编码保守元件等多方面对海洋哺乳动物3个主要支系（鲸类、鳍足类、海牛类）从陆地重返海洋的分子适应机制进行了全面分析和探究。

哺乳动物由陆地重返海洋以后面临的重要挑战之一是海水的高导热性。这会使哺乳动物身体的热量更容易向水中散失。海洋哺乳动物如何在水中保持恒温的遗传基础尚不清楚。

该研究发现，不同海洋哺乳动物支系都从改变产热和散热两个方面来进行体温调节以适应水生环境，既通过NFIA和UCP1来调控棕色脂肪细胞的合成和利用，从而控制产热的变化；又通过SMEA3E基因的改变使海洋哺乳动物的血管系统发生适应性变化，以调节热量的散失。双重调控最终维持了体温恒定。

研究人员表示，海洋哺乳动物为了适应水生环境，其骨骼形态也发生了不同程度的改变，前肢变成鳍状肢，身体呈流线型或者纺锤形。该研究发现，在与骨骼发育密切相关的蛋白聚糖的生物合成途径中，XYLT1和FMA20B两个关键基因在海洋哺乳动物中发生了特异性改变，这极有可能会影响到海洋哺乳动物骨骼形态的变化。

此外，研究人员还发现了与低氧耐受、回声定位、深潜及视力相关的基因在海洋哺乳动物中发生了分子层面的适应性演化。

基于大规模的基因组测序，研究人员建立了全面的海洋哺乳动物基因组数据集，并为海洋哺乳动物的水生适应相关性状及不同海洋哺乳动物支系间趋同演化提供了更多的遗传学证据，为科研人员后续更深入地开展海洋哺乳动物水生环境适应机制等研究提供了良好的数据支持。

相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2106080118

（原载于《中国科学报》 2021-09-13 第1版 要闻）