南海海洋所在海馬基因點突變導致“脾臟丟失”與“雄性懷孕”的協同進化機制取得進展

　　近日，中科院南海海洋研究所熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室林強研究員團隊取得了“基因單個位點敲除導致整個動物器官丟失”的創新性研究進展，揭示了海馬基因tlx1的特異性位點突變（tlx1^A208T）調控其脾臟丟失的遺傳機制，并首次提出海馬“脾臟丟失”與“雄性懷孕”協同演化的新觀點。德國康斯坦茨大學、基爾大學研究團隊在免疫耐受研究層面進行了聯合解析，相關研究成果“Immunogenetic losses co-occurred with seahorse male pregnancy and mutation in tlx1 accompanied functional asplenia”于12月9日在線發表于Nature Communications（《自然·通訊》）。

　　在動物界中，海龍科諸多物種“脾臟丟失”這一復雜性狀是脊椎動物最為特異的進化特征之一（圖1），也是當前國際學術界在魚類演化領域所關注的焦點。海龍科魚類具有“雄性懷孕”的獨特繁殖模式，而作為“雄性懷孕”重要器官的育兒袋在進化過程中展現出了多種形式（Science Advances, 2021），并與哺乳動物的子宮呈現結構與基因的趨同進化現象（Nature, 2016; National Science Review, 2020）。在脊椎動物中，“雌性懷孕”已經獨立進化了150多次，雖然這一繁殖策略為后代提供了明顯的生存優勢，但親本在妊娠期間卻一直經受著免疫耐受與免疫保護的權衡，即如何平衡親本耐受與異體胚胎的免疫保護？在該研究領域，哺乳動物胚胎發育過程中的免疫調控研究報道較多，而“雄性懷孕”繁殖系統作為在脊椎動物中的一個全新研究體系，其雄性懷孕與免疫系統的協同進化機理仍是未知。

圖1. 海馬脾臟丟失及其獨特的繁殖特征

　　動物進化多樣性與免疫系統的復雜性是密切相關的。脾臟作為免疫系統的重要器官，在機體免疫過程中發揮著重要作用。海馬等物種缺少脾臟，這在脊椎動物中是非常罕見的特異進化事件；那么，海馬脾臟丟失的遺傳基礎如何？其免疫系統上的缺陷與“雄性懷孕”繁殖策略之間的進化關系如何？ 

圖2. 海馬繁殖策略演化及其免疫系統關鍵基因丟失 

　　基于上述科學問題，研究團隊首先將海馬與其他9個不同目的硬骨魚進行比較基因組學分析，發現海馬屬中有1260個基因家族顯著收縮。涵蓋了多個免疫相關通路，如NOD樣受體通路、異體移植物排斥反應、抗原處理和呈遞等，基因丟失（gene loss）分析也同樣支持這一結論（圖2）。這一結果表明免疫相關基因家族的收縮或丟失在很大程度上促進了海馬免疫系統中的修飾，并可能與其“雄性懷孕”及育兒袋結構的特異進化有關。

　　研究團隊進一步聚焦海馬“脾臟丟失”的遺傳與進化機制解析。全基因組譜系特異性突變（lineage-specific mutation）分析表明，18種海馬T-cell leukemia homeobox 1 (tlx1)基因的homeobox結構域存在一個譜系特異性位點突變（即丙氨酸Alanine→蘇氨酸Threonine，tlx1^A208T）（圖3）。而特別值得注意的是，作為海馬的近緣物種綠海龍（Syngnathoides）則保留有完整的脾臟，并且不存在該位點突變。

圖3. 海馬屬tlx1基因的特異性位點突變

　　已有研究表明，tlx1是人、小鼠等脾臟發育的關鍵轉錄因子?；谏鲜龇治鼋Y果，推測該位點的突變（tlx1^A208T）可能是導致海馬脾臟丟失的關鍵因素。因此，為了證實這一假設，團隊利用模式物種斑馬魚實施了3次CRISPR/Cas9基因敲除驗證，結果表明， 1）全基因tlx1敲除突變品系斑馬魚（tlx1 knockout）全部表現為先天性脾臟丟失（11/11），2）針對海馬特異性位點的突變品系斑馬魚（tlx1^A208T）亦出現脾臟丟失（27/27），3）相鄰位點的突變品系斑馬魚（tlx1^A207T）則有完整的脾臟（17/17），該結果精確驗證了海馬tlx1^A208T位點的進化特異性和功能保守性（圖4）。

圖4. CRISPR/Cas9基因編輯揭示tlx1基因的錯義突變導致斑馬魚無脾

　　眾所周知，動物胎生過程中成功妊娠的前提是受精卵的順利著床。盡管被母體免疫細胞識別，但母體-胎兒界面經歷了免疫排異和免疫保護的動態變化，最終保障胎兒在子宮內正常發育。研究團隊發現，在脾臟丟失的基礎上，海龍科物種中許多涉及抗原識別和呈遞、T/B淋巴細胞發育、補體激活等過程的基因均存在譜系特異性丟失或結構變異，這一結果也證實了海龍科物種為了實現其懷孕過程而出現了關鍵免疫基因家族或部分調控通路的協同演化（圖5）。

圖5. 海馬脾臟丟失和雄性懷孕的免疫基因組學基礎

　　綜上，該研究發現并證實了海馬基因單位點突變（tlx1^A208T）導致其脾臟丟失的假設，首次提出了海龍科魚類“脾臟丟失”與“雄性懷孕”協同進化的新觀點。相關成果拓展了學術界對脊椎動物繁殖過程中免疫系統適應進化的理解，并有望為醫學上“無脾綜合征”研究開辟新的思路。

　　研究團隊劉雅莉副研究員、曲朦助理研究員、姜韓博士研究生等為共同第一作者，林強研究員、Axel Meyer教授和Olivia Roth教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金重大項目、國家杰青項目、中科院基礎前沿計劃0到1原始創新項目、中科院戰略性先導B專項、中科院海洋大科學研究中心重點部署等項目資助。

　　相關論文信息：Immunogenetic losses co-occurred with seahorse male pregnancy and mutation in tlx1 accompanied functional asplenia. https://www.nature.com/articles/s41467-022-35338-7.pdf