生物学家对蛇的染色体进化毒液调节有了新的见解

蛇基因组编码秘密的独特和经常极端适应，但蛇和其他爬行动物的基因组资源落后于他们的哺乳动物和鸟类对应物。

在一篇新论文中，由德克萨斯大学阿灵顿分校生物学副教授Todd Castoe领导的生物学家团队通过生成和分析蛇- 草原响尾蛇(Crotalus)的第一个最完整的染色体水平基因组来解决这些问题。viridis)。他们的工作，“染色体的起源和演变，剂量补偿以及蛇中毒液调节的机制”发表在冷泉港实验室出版的科学期刊“基因组研究”4月号上。

UTA的共同作者包括Drew Schield，Daren Card，Nicole Hales，Blair Perry，Giulia Pasquesi，Richard Adams和Andrew Corbin，他们都是Castoe实验室的现任或前任成员;博士生Balan Ramesh;生物学教授EstherBetrán;和生物学副教授Jeffery Demuth。其他合着者包括UTA博士毕业生Heath Blackmon，Texas A&M University和Jesse Meik，Tarleton State University。

该小组分析了响尾蛇基因组，研究脊椎动物和蛇类生物学的各种特征，包括基因组结构的演变，一些染色体在蛇进化过程中如何成为性染色体，以及多层基因组组织如何驱动精确的毒液调节。

本文提供了爬行动物基因组的第一个染色体水平组装，并提供了新的证据，即一些脊椎动物中存在的微染色体可能以独特和以前未知的方式在细胞核中发挥作用。

“尽管对蛇毒进行了广泛的研究，但对这种极端适应的基因组基础以及毒液如何随时间演变而言，知之甚少，”Castoe说。“虽然毒液是蛇类生物学家的主要兴趣，但蛇基因组中含有制造毒液基因的区域已经成为基因组中最具挑战性的区域，可以准确地进行序列和组装。”

通过利用尖端的基因组测序方法，该团队首次能够生成组装良好的蛇毒基因。这为毒液基因如何通过称为串联重复的过程进化而提供了新的基因组背景，导致基因组景观中的离散的毒液基因簇。他们还发现许多毒液基因存在于微染色体上，微染色体密集地堆积着基因并具有其他独特的特征。

该团队还证明，在哺乳动物中不存在但存在于鸟类和许多爬行动物中的微染色体具有根本上不同的结构和功能 - 提供了许多脊椎动物的基因组不一定与哺乳动物的基因组“相同”的证据。

研究人员通过仅在毒液腺中调节毒液基因而不是在其他器官中解决蛇是如何能够分泌毒液的。他们利用新的尖端测序方法，称为Hi-C测序，捕获有关细胞核中不同基因组区域之间相互作用的信息，分析基因组组织如何指导这种精确的毒液基因调控。

他们发现毒液基因区域在毒液分泌细胞中被称为TAD或拓扑缔合结构域的不同染色体结构中被分离。这些TAD在基因组DNA中形成环，以特异性地将基因调控机制定位于用于制造毒液的基因，从而导致仅在毒腺中基因表达的高度精确模式。这一发现提供了先前未知的调节蛇毒分泌机制的证据，以及基因组结构和功能之间令人兴奋的联系。

虽然人类和其他哺乳动物有X和Y性染色体，但响尾蛇有Z和W性染色体。在ZW系统中，雄性有两条Z染色体，雌性有一条Z染色体和一条W染色体。与非性染色体(称为常染色体)相比，响尾蛇性染色体是高度分化的并且表现出许多不同的特征。高度分化的性染色体通常需要机制来平衡遗传性别之间的基因表达以确保适当的基因组功能 - 这些被称为剂量补偿机制。

蛇特别有趣，因为它们不像人类那样在整个染色体上发展均衡基因表达的机制，而是在特定区域甚至可能在Z染色体上的特定基因上进化剂量补偿。

“响尾蛇基因组装配最激动人心的特征之一就是它包含了蛇的第一个完整的性染色体，”该论文的第一作者施泰尔德说。

研究人员利用响尾蛇基因组来追踪蛇性染色体的进化，以及Z染色体上基因表达的性别特异性模式的起源。他们还确定了可能成为蛇剂量补偿基础的第一种遗传机制。这些研究结果为蛇类性别决定的进化建立了新的基因组背景，并为脊椎动物性别决定系统的多样性提供了新的见解。

从广义上讲，本文的研究结果集中在响尾蛇基因组上，突出了非模式物种质量基因组资源的巨大生物价值。Castoe实验室六年前发布了第一个蛇基因组 - 缅甸蟒蛇基因组 - 从那时起，其他几种蛇基因组资源已经出现。每个蛇基因组都有关于蛇和脊椎动物生物学的新发现。

利用响尾蛇基因组，蛇基因组的口径现在处于许多传统模式生物的质量水平。拥有多样化的脊椎动物基因组，可以进行广泛的比较，以了解基因组生物学的基本方面。响尾蛇基因组增加了不断增长的物种清单，以便进行这些比较，并为了解蛇的独特特征提供了前所未有的潜力。

“Castoe博士及其同事在我们对染色体水平蛇基因组的了解方面取得了重大进展，”UTA生物系教授兼主席Clay Clark说。“他们关于毒液进化和蛇性染色体的基因组基础的发现是蛇基因组研究的令人兴奋的突破，并证实了Castoe实验室作为国家蛇类基因组研究的领导者之一。”