《Nature》封面！海马怎么做到的？（必读）

IF高达38.138已经非常难得，而且还是与全科类竞争、一年只有1/52机会的《Nature》封面！这年头，基因组发顶级杂志的难度逐渐加大，要发《Nature》封面更是难上加难。那海马基因组又是如何做到的呢？

 
首先，海马是一种鱼。虽然它长得一点也不像鱼，但的确是鱼，分类上属于刺鱼目海龙科海马属。它有很多特异的表型：外形上，头部弯曲与身体呈近直角状态，口部呈长管状，全身覆盖硬骨骼，没有鳞片等；习性上，因为没有腹鳍和尾鳍，游泳时头部朝上，以直立或斜直的状态游动；此外，海马还有一个非常特异的地方：是地球上唯一一种由雄性生育后代的动物。所以，海马本身就比较吸引人。

其次，研究人员用数据证明，海马确实是目前已发表的鱼中进化速率最快的，并且丢失了数目最多的CNEs区域，从分子遗传学的角度证明了其独特进化地位，进一步提升了海马的重要性。

再次，从基因的扩张和丢失两方面，分别都找到了一些可能与海马某些表型进化有关的变异，尤其是还做了一个转基因验证的实验，进一步提高结论的准确性和可信性！
下面科技君就来为您深入解读海马基因组的文章。

测序策略
构建170bp-20Kb的梯度文库，采用NGS平台对虎尾海马进行190X的测序，获得了132.13G的数据。

组装结果
组装总长度为501.6Mb，组装指标：Contig N50=34.7Kb，Scaffold N50=1.8Mb；99%以上的转录本可以比对回组装结果上；预测出23458个基因，97%以上的预测基因与数据库中的基因同源。

生物学问题探讨

1.进化速率：

通过4122个直系同源基因对海马和其他硬骨鱼做进化分析，发现海马和其他5种棘鳍类鱼亲缘关系较近，但分属于不同的进化支上。分析估计海马和其他硬骨鱼的分化时间是1亿多年前的白垩纪时期。此外，在目前已测序的鱼类里面，海马的蛋白和核苷酸序列的进化速率都是最高的。虽然令海马拥有高进化速率的机制还不清楚，但高进化速率，可能与海马进化出如此多特异表型是有关的。此外，研究人员发现海马丢失了数量最多的CNEs（Conserved noncoding elements）区域。这可能在海马的演化过程中，也发挥了巨大的作用。


图1 海马的进化分析

2.海马基因组中那些丢失的基因

一些基因或基因功能的丢失有可能利于某些新的进化产生从而被正向选择，研究人员发现海马就存在这种现象。和其他几种硬骨鱼相比，海马丢失了一部分基因，而这些基因的丢失则与海马的一些奇特外形及习性有关。

1)牙齿的退化
研究人员发现分泌性的钙结合磷蛋白（SCPP）中的一种，proline/glutamine (P/Q)-rich SCPP在海马中缺失。(P/Q)-rich SCPP是参与釉基质合成的主要gene，这类gene的缺失可能是海马没有牙齿的原因。


图2 海马和其他颌类脊椎动物的SCPP基因差异比较

2）OR基因的收缩
动物利用嗅觉来寻找食物和伴侣，以及躲避捕食者。研究人员对海马和其他鳍刺鱼类的嗅觉受体（OR）基因家族进行了比较，发现海马的OR基因家族是最小的，一共只有26个OR基因。


图3 比较海马和其他鳍刺鱼类的OR基因家族

3）腹鳍的消失
研究人员发现，一个在有颌类脊椎动物保守的转录组因子——tbx4基因，并没有在海马基因组以及转录组中找到。tbx4基因在哺乳动物中是调控下肢形成的基因，在小鼠中这个基因功能的丢失导致小鼠下肢发育的失败。而鱼的腹鳍，与四足动物的下肢是同源的，故研究人员怀疑tbx4基因的丢失可能与海马腹鳍的丢失进化有关。为了验证这一点，研究人员敲除了斑马鱼的tbx4基因，结果真的获得了没有腹鳍的斑马鱼的突变体。把单个基因的基因型和表型明确地联系起来，是这篇文章的一大亮点。


图4 海马基因组丢失tbx4基因，把斑马鱼的tbx4基因敲除获得没有腹鳍的斑马鱼突变体

3.雄海马孕育宝宝

雄性育儿在海马和海龙中是一种独特的进化机制。为了探究这个问题，研究人员分析了虾红素金属蛋白酶中的C6AST基因家族。这个家族的成员包括孵化酶、高绒毛膜酶及低绒毛膜酶，能够引起卵膜溶解，已有研究发现与鱼类的胚胎孵化相关。而该家族的另一个亚家族——Patristacin（pastn），发现在海马中发生了扩张。在海马的6个pastn基因中，其中有5个虾红素基因在怀孕中期及后期的雄性海马育儿袋中高度表达。此外，我们发现pastn在卵胎生的剑尾鱼中也同样发生了扩张。海马与剑尾鱼的扩张是分别发生在两个不同但相近的分支，pastn的扩张可能使两个鱼得到新的、且相似的功能（剑尾鱼雌性卵胎生，海马雄性怀孕）。


图5 对8种鳍刺鱼进行基因家族分析

独特的研究对象+靠谱的合作公司+严谨的后期验证，是海马问鼎《Nature》封面的三大法宝！