南美肺魚（圖片來源：Katherine Seghers, Louisiana State University）
生命總會找到自己的出路，雖然其中的一條路可能是“撿垃圾”。
在 8 月非洲的小水潭里，一條黑色的大魚一躍而起，探出水面。它張大嘴巴，隨著一陣風(fēng)箱一樣的聲音，它吞下了足夠的空氣，又鉆回了水下。
這是一條肺魚。肺魚和其他魚一樣有鰓，但它們還擁有一個非常原始的肺，肺的內(nèi)表面甚至也覆蓋著大量蜂窩狀空腔，它剛剛吞下的空氣會在這里發(fā)生交換，保證它在旱季也能生存下去。
在我們的印象中，肺似乎是獨屬于陸生動物的結(jié)構(gòu)。也難怪在 20 世紀(jì) 80 年代前，人們曾一度認(rèn)為肺魚就是包括人類在內(nèi)所有四足動物的祖先。但我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，我們的祖先或許曾一度和肺魚共享同樣的棲息地，但肺魚并不是我們的直接祖先。
4.2 億年前，兩種魚類分道揚鑣。其中一支登上了陸地，經(jīng)過漫長的演化誕生了人類，另一支卻幾乎沒有變化。目前已知最早的肺魚化石發(fā)現(xiàn)于 4 億年前早泥盆世的地層，然而到 4 億年后的今天，現(xiàn)生的澳大利亞肺魚（Neoceratodus forsteri）和化石長得堪稱一模一樣?，F(xiàn)在，這些被稱為“活化石”的生物只剩下了 6 個物種，其中一種在澳大利亞，一種在南美洲，另外4種則生活在非洲。
繪圖: 楚步瀾（Brian Choo）
巨大基因組
身體形態(tài)幾乎沒變，并不意味著肺魚在漫長的演化中什么都沒有得到——它們得到了一個巨大的基因組。南美肺魚（Lepidosiren paradoxa）的 DNA 擁有超過 910 億個堿基對，是迄今所有已測序物種中最大的。
而在南美肺魚的基因組得到測序之前，這個紀(jì)錄的保持者是澳大利亞肺魚和非洲肺魚（Protopterus annectens），它們的基因組有約 400 億個堿基對。作為對比，人類的基因組只有 30 億個堿基對。在南美肺魚的 19 條染色體中，其中 18 條單獨拿出來，都要大于人類的整個基因組。
如此巨大的基因組，當(dāng)然會給研究帶來極大的困難?；蚪M測序的過程有一點像拼拼圖，曾經(jīng)的測序技術(shù)每次只能讀取很短的一段基因序列，這就像是固定了每一塊拼圖的大小。當(dāng)整個拼圖變得非常巨大，拼圖的片數(shù)也會驟增。
但隨著近年來長讀長測序（long-read sequencing）技術(shù)的發(fā)展，研究者可以一次性讀取含有上千，甚至上萬個堿基的序列，讓我們有機會看到這些巨大基因組的全貌。
如果不考慮是否已被測序，石花肺魚（Protopterus aethiopicus）保持著地球動物中最大基因組的紀(jì)錄，紐斯河泥螈（Necturus lewisi）緊隨其后。（圖片來源：《環(huán)球科學(xué)》2022年3月刊，《蠑螈：慢節(jié)奏的演化傳奇》）
2021 年，德國康斯坦茨大學(xué)的演化生物學(xué)家阿克塞爾·邁耶（Axel Meyer）和維爾茨堡大學(xué)的生物化學(xué)家曼弗雷德·沙特爾（Manfred Schartl）領(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究小組在《自然》（Nature）上發(fā)表了他們的研究結(jié)果，他們重建出了澳大利亞肺魚大部分的基因組序列。
最近，這個研究團隊再次登上《自然》，解鎖了非洲肺魚和南美肺魚的全基因組序列。這項研究不僅帶來了迄今最大的基因組測序結(jié)果，還帶我們看到了肺魚基因組“長大”的過程。
一身累贅
基因組大并不代表有效信息多。在記錄人類遺傳信息的 30 億個堿基對中，只有大約 2 萬個傳統(tǒng)意義上的基因，或者說編碼蛋白質(zhì)的 DNA 片段。其余的部分，則一度被認(rèn)為是沒有意義的“垃圾 DNA”。
而作為對比，南美肺魚的基因組大小是人類的 30 倍以上，卻也只有大約 2 萬段是真正編碼蛋白質(zhì)的序列。這意味著它們基因組中的“垃圾”甚至更多。事實上，研究者意識到，南美肺魚超過 90% 的基因都是一些重復(fù)的序列。
這 90% 的“垃圾”有另一個名字——轉(zhuǎn)座子，或者說跳躍基因，這是一些可以在基因中跳來跳去的 DNA 片段。問題在于，其中的大部分除了在基因中“跳躍”，還可以將自己“復(fù)印”出大量的拷貝，再分別插入基因組中。而這些“新生”的片段，依然可以繼續(xù)自我復(fù)制，從而像病毒一樣，在基因中大量“繁殖”。正是通過這樣的方式，轉(zhuǎn)座子在肺魚的基因中不斷繁殖，將它們的基因撐到了如此龐大的地步。
這樣的特性讓轉(zhuǎn)座子一度被稱為“自私的基因”，或是“基因寄生蟲”。顯然，如果轉(zhuǎn)座子大規(guī)?；钴S，甚至插入重要的基因中，將會給“宿主”帶來嚴(yán)重的后果。所以在大部分情況下，我們可以看到生物也演化出了一整套防御機制。例如，KRAB 型鋅指蛋白可以通過識別特定的 DNA 序列，結(jié)合到轉(zhuǎn)座子上，從而在表觀遺傳學(xué)層面沉默轉(zhuǎn)座子。在生殖細(xì)胞中，piRNA 則通過靶向轉(zhuǎn)座子，形成雙鏈 RNA，抵御轉(zhuǎn)座子的侵入。
然而，肺魚似乎缺少了這種功能。研究者發(fā)現(xiàn)，相比于人類和其他肺魚，南美肺魚基因組中與 piRNA 和 KRAB 型鋅指蛋白相關(guān)的基因大幅減少（人類和其他肺魚有大約 300 個拷貝，而南美肺魚只有 23 個）。或許正是因為失去了牽制轉(zhuǎn)座子的能力，才讓南美肺魚擁有了巨大的基因組。
最終結(jié)果就是，我們看到南美肺魚基因組的擴增速度是已知物種中最快的：平均而言，每過一千萬年，南美肺魚的基因組就可以增長出一個人類基因組的大小，而這個增長速度它們已經(jīng)維持了至少一億年。“而且它還在繼續(xù)增長，”邁耶說，“我們有證據(jù)表明，現(xiàn)在南美肺魚基因中的轉(zhuǎn)座子仍然活躍。”
擴增的代價
這讓我們不禁問出一個問題，巨大的基因組會帶來怎樣的生存代價？在另一種同樣擁有龐大基因組的生物——蠑螈——中，我們可以清晰地看到這種代價。
不同蠑螈物種的基因組大小的變化很大，最少的“只有”100 億個堿基對，而多的可達(dá) 1200 億個，同樣塞滿了轉(zhuǎn)座子。這些基因組中的“累贅”，讓許多蠑螈長成了“巨嬰”：就像紐斯河泥螈一樣，長著幼嫩的鰓、軟弱的四肢和極為簡潔的大腦，終生也無法完全完成變態(tài)過程。
2018 年，一項研究給出了可能的答案。研究者重建了墨西哥鈍口螈（Ambystoma mexicanum）的基因組，共包含 320 億個堿基對，他們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座子并不只是單純地散布在基因與基因之間，也大量存在于基因內(nèi)部的內(nèi)含子區(qū)域?；虮磉_(dá)時，包括內(nèi)含子在內(nèi)的整段 DNA 都會被轉(zhuǎn)錄成一條 RNA 鏈，接著內(nèi)含子需要被修剪掉，剩下的序列才能作為模板，生產(chǎn)蛋白質(zhì)。
墨西哥鈍口螈（圖片來源：pixabay）
由于塞滿了轉(zhuǎn)座子，墨西哥鈍口螈的內(nèi)含子序列可達(dá)人類基因內(nèi)含子長度的 13 倍，于是它們的 RNA 就需要更長時間才能生成，引導(dǎo)細(xì)胞分化的指令也要更久才能生效，以至于它們身體的每一個部分都很難真正地長大。
肺魚似乎沒有遭受類似的困境。2021 年，在一項發(fā)表于《細(xì)胞》（Cell）的研究中，西北工業(yè)大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中科院武漢水生生物研究所和中國農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所、華大基因研究院等單位聯(lián)合解析了非洲肺魚首個完整且高質(zhì)量的超大基因組。結(jié)果顯示，非洲肺魚的內(nèi)含子同樣非常長，整個基因組中近 16Gb 都是內(nèi)含子。
非洲肺魚中最長的基因為 18 Mb，比墨西哥鈍口螈（6.7 Mb）和人類（2.5 Mb）都要長得多。通過檢查轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，研究者發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)水平和基因長度之間沒有明顯的相關(guān)性，即使是長度大于 1 Mb 的基因，也表現(xiàn)出與其他較短基因相似的表達(dá)水平。換句話說，基因長度的變化對非洲肺魚的基因表達(dá)似乎沒什么影響?！斑@些結(jié)果表明，”論文中寫道，“為了保持基因表達(dá)的平衡，肺魚中超長基因的轉(zhuǎn)錄效率可能有所提高?！?/p>
登陸的每一步
當(dāng)我們仔細(xì)了解肺魚的基因組變化時，也能看到四足動物祖先在從水到陸的中間階段，經(jīng)歷了怎樣的演化過程。這個過程需要生命在一系列方面的創(chuàng)新：用肺呼吸、有支撐能力的四肢、能應(yīng)對干燥的皮膚、截然不同的運動姿勢……
肺魚不僅擁有了原始的肺，它們編碼肺表面活性蛋白 B 的基因也已經(jīng)大大增加，這是一種復(fù)雜的脂蛋白，可以維持肺泡大小的相對穩(wěn)定。肺魚中相關(guān)基因的數(shù)量是硬骨魚和軟骨魚的 2~3 倍，與四足動物的典型數(shù)量一致。同時，肺魚中參與嗅覺的基因也出現(xiàn)了擴增——這是一種對在空氣中生活的預(yù)適應(yīng)。
另一個重要的變化發(fā)生在四肢。肺魚和拉蒂邁魚同屬于肉鰭魚類，它們的鰭中已經(jīng)有了初步的骨骼，帶來了一定的支撐能力?；蚪M序列也補全了這段故事：研究者在肺魚的基因組中，看到了四足動物中與四肢發(fā)育相關(guān)的基因，此前這樣的模式從未在其他魚類中看到過。這說明，“早期肉鰭魚類已經(jīng)產(chǎn)生了類似四肢的基因表達(dá)，為之后的四足適應(yīng)做好了準(zhǔn)備?！?/p>
不過在現(xiàn)生肺魚中，只有澳大利亞肺魚和祖先一樣，擁有粗壯的肉質(zhì)鰭。在過去的一億年間，非洲肺魚和南美肺魚的胸鰭和腹鰭都退化成了絲狀。（圖片來源：Katherine Seghers, Louisiana State University）
研究者甚至看到了一些意想不到的發(fā)現(xiàn)。在 2021 年發(fā)表于《細(xì)胞》的研究中，研究者注意到，和抗焦慮密切相關(guān)的蛋白神經(jīng)肽 S 及其受體在肺魚和四足動物的祖先中曾共同出現(xiàn)。與此相吻合的是，大腦的杏仁核也是從肺魚和四足動物的祖先開始，具備了相對成熟的多分區(qū)結(jié)構(gòu)。研究人員推測，肺魚和四足動物的祖先在焦慮處理能力方面可能更強，以適應(yīng)空氣呼吸和陸地生活等完全不同的環(huán)境干擾。
參考文獻(xiàn)
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07830-1#author-information
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03198-8#ref-CR19
[3]https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00090-8
[4]https://www.eurekalert.org/news-releases/1054265
[5]https://www.eurekalert.org/news-releases/907686
[6]http://www.kiz.ac.cn/xwzx/news5/202102/t20210226_5961028.html
[7]《環(huán)球科學(xué)》2022年3月刊，《蠑螈：慢節(jié)奏的演化傳奇》
策劃制作
來源丨環(huán)球科學(xué)（ID：huanqiukexue）
作者丨二七
責(zé)編丨何通
審校丨徐來 林林
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