中国科学家新年新突破，两项成果揭示比目鱼性别决定机制及底栖适应机制

来自中国水产科学研究院黄海水产研究所、深圳华大基因研究院、哥本哈根大学、德国维尔茨堡大学、法国农业科学研究院和新加坡国立大学等单位的科研人员成功破译了迄今为止首个比目鱼——半滑舌鳎全基因组序列图谱，揭示了半滑舌鳎性染色体起源机制和比目鱼底栖适应的分子机制，同时为后续半滑舌鳎的遗传改良、新品种培育奠定基础，该成果于2014年2月2日发表在《自然•遗传》（Nature Genetics）上。此外，研究人员还揭示了半滑舌鳎温度控制下的性别逆转现象的表观遗传调控机制，并发现了在这种表观遗传调控下的性别逆转的稳定遗传现象，该成果也同时在线发表于《基因组学研究》（Genome Research）。

高等生物的性别决定机制和性染色体的起源和进化一直是生物学界的研究热点。半滑舌鳎（Cynoglossus semiliaevis）是中国特有的名贵经济海水鱼类，属于近海温水性底层鱼类。半滑舌鳎拥有一套特殊的性别决定机制，既可以由基因型所控制，也会受到培养温度的调控。正常情况下其具有ZW/ZZ性染色体系统，雌性具有巨大的异形性染色体（W染色体）。然而当具有雌性染色体的幼鱼在高温环境下培育却会定向地发育为具有生育功能的雄鱼。有趣的是，这些诱变的雄鱼所产下的所有具有W染色体的后代在正常情况培育下也会发育为雄鱼。因此该物种具有非常特殊的性别决定系统，是研究两种性别决定机制分子基础绝佳模型。

在本研究中，科研人员对半滑舌鳎雌雄鱼分别进行了高深度全基因组测序、从头（de novo）组装和分析。通过性染色体在雌雄鱼基因组测序覆盖深度的不同，并结合高密度遗传连锁图谱（SSR和SNP），构建了Z染色体的精细图谱和对应的W染色体序列图谱。基于ZW同源基因推测的半滑舌鳎性染色体形成时间约为3000万年前,相对于哺乳类和鸟类已经进化了上亿年的性染色体来说，还非常年轻。有趣的是，半滑舌鳎的性染色体和鸟类的性染色体都是ZW系统，它们各自独立的由同一套常染色体进化而来，属于趋同进化现象。另外，研究人员利用半滑舌鳎性逆转个体的遗传特性，推断出半滑舌鳎的Z染色体在其性别决定过程中起着主导作用，而且Z染色体连锁的dmrt1基因同鸟类的性别决定基因(dmrt1)一样，表现出性别决定基因的表达特性。

半滑舌鳎虽然具有性染色体，然而其性别并不完全由遗传决定，同时也受到外界环境的影响。研究人员发现，半滑舌鳎的雌性个体在自然发育过程中约有14%能性逆转为雄性（称为伪雄鱼），而如果在发育早期用高温诱导可使雌鱼的性逆转率达到73%。更为有趣的是，伪雄鱼能跟正常雌鱼交配产生后代，但后代的雌鱼几乎全部会自发性逆转成伪雄鱼。对于遗传和环境因素是如何相互作用来决定性别，目前还知之甚少。在本研究中，研究人员对半滑舌鳎正常雄鱼(ZZ)、伪雄鱼(ZW)、正常雌鱼(ZW)，以及伪雄鱼和正常雌鱼交配产生的子一代伪雄鱼(ZW)和雌鱼(ZW)的性腺进行全基因组DNA甲基化和转录组的比较分析，发现正常雌鱼性逆转成伪雄鱼之后，全基因组的DNA甲基化模型几乎变得跟正常雄鱼一模一样。而且，性逆转后发生的甲基化改变，显著富集于跟性别决定通路有关的基因。另外，通过对亲本和子代样品进行比较，研究人员发现亲本伪雄鱼相对于雌鱼发生的甲基化改变，能够被后代继承，这可能解释了为什么伪雄鱼后代不需要温度诱导就能自然发生性逆转。对于性别主要由性染色体来决定物种来说，性逆转后的个体会遇到性染色体剂量不平衡问题。例如，半滑舌鳎的伪雄鱼(ZW)，相对于正常雄鱼(ZZ)，少了一条Z染色体，同时又多出了一条包含雌性特异基因的W染色体。如何解决性染色体剂量不平衡的问题是一个物种能否发生性逆转的关键。研究人员发现，伪雄鱼的Z染色体并没有发生全局的剂量补偿，而是存在一个局部的剂量补偿区域。该区域中的基因表达量几乎跟正常雄鱼持平，而且该区域富集甲基化位点以及存在跟精子发生相关的基因。对于伪雄鱼中W染色体，其上面很多基因仍在活跃地表达着，研究人员推测这些W基因的表达很可能在一定程度上补偿了伪雄鱼部分Z基因的剂量不足。但是W上的雌性特异基因(如figla)在伪雄鱼中却被甲基化调控巧妙的拟制了。综上所述，研究人员认为DNA甲基化调控对于半滑舌鳎的性别逆转有着多方面的重要作用。

从浮游生活到底栖生活是比目鱼早期变态发育的一个重要特征，它涉及到一系列的生物和表型特性，包括眼睛偏转、内脏器官移位、身体颜色变化、光感受能力以及其他方面的变化。在本研究中，科研人员从基因组和转录组水平出发，发现半滑舌鳎变态发育前后差异表达基因富集于底栖适应性相关的性状上，并筛选到可能与变态发育相关的15个正选择基因。此外，研究发现，暗视觉相关视椎蛋白（rh1）和长波敏感视杆蛋白（lws1）在底栖状态表达上调，而中波敏感视杆蛋白（rh2）在浮游状态表达上调，表现出对底栖生活的适应性。通过比较不同鱼类视觉相关基因，科研人员发现半滑舌鳎晶状体结构相关基因（crybb2和crybb3）发生了特异性丢失，另外3个晶状体结构相关基因则演变为假基因，表现出明显的视觉退化现象。而作为可能的补偿措施，半滑舌鳎具备强大的侧线器官以及形成了特异的感觉器官-乳头状突起。

主导这一项目的深圳国家基因库基因组生物多样性课题组负责人、华大基因张国捷博士表示：“性别的形成是生物进化过程中的一次飞跃性的变化，对增强物种适应性具有重要意义。然而我们目前对性别如何决定了解仍然非常有限。高等脊椎动物的性别决定非常复杂。温度诱导的性别决定系统在高等脊椎动物里广泛存在，研究这一过程中的分子机制对我们理解基因与环境互作的机制以及生物多样性产生具有重要的启示意义”。