罗述金 研究员

罗述金 研究员

基因组多样性和演化研究组

研究员,长聘副教授,博士生导师

电话:010-62752307

E-mail:luo.shujin@pku.edu.cn

物种通过基因组多样性所决定的表型多样性来适应不同的环境。了解生物适应性的自然规律和遗传基础,对于生物演化和多样性的研究至关重要。我们利用种群基因组学方法,重构物种在种群水平的演化模式,推断演化过程,研究与物种的表型、行为、种群历史和系统分类等相关的基本科学问题。目前的研究以分子生物学和种群遗传学为基础,整合传统生态学、生物地理学、系统分类学的背景,研究野生及驯化哺乳动物类群尤其是猫科动物的基因组多样性和适应性的遗传学机理,具体体现在以下研究方向:

1.猫科动物及其他物种表型多样性的遗传机制和基因组学研究

2.野生动物基因组多样性、分子生态学和种群遗传学研究


1.猫科动物及其他物种表型多样性的遗传机制和基因组学研究

白虎是虎的亚种孟加拉虎野生种群中出现的一种珍稀毛色型。白虎并非白化病,它与通常的毛色全白和红眼的白化动物不一样,其底色皮毛的颜色呈白色,条纹则呈现深褐色至黑色,而且眼睛呈灰蓝色。尽管野外白虎的记录最早可追溯到16世纪,其遗传机制却一直不为人所知。我们与动物圈养繁育机构合作,利用高通量测序平台对一个由7只白虎和9只黄虎组成的家系进行了全基因组遗传连锁分析,并对其中3只亲本个体进行了全基因组测序,由此确定了白虎由SLC45A2基因的一个氨基酸突变(A477V)所致,这一结果在对另外无亲缘关系的130只虎的基因型分析后得到最终确认。然后,我们通过计算结构生物学手段预测了SLC45A2蛋白质三维结构模型,揭示SLC45A2可能是一个具有12个跨膜区的转运蛋白,A477V突变阻碍了转运孔道的畅通,从而影响其功能。SLC45A2是一个已知的色素决定基因,其多样性与人的肤色以及其他一些动物(马、鸡、小鼠等)的毛色有关,主要影响毛发和皮肤中色素合成的通路,对其它器官和生理功能影响不显著 。

从白虎形成的遗传机理来说,白虎不是白化病个体,能够适应野外生存,白虎的野外灭绝主要是人为因素所致,而圈养白虎的遗传缺陷则源自高度近亲繁殖。因此,白虎代表着自然存在的遗传多样性,具有保护价值。这一结论结束了长期以来保护生物学界关于白虎是否是一种遗传缺陷的争论,为虎的基因组多样性保护以及圈养虎的科学繁殖策略提供了科学的佐证。本文以封面文章发表于Current Biology (Xu et al. 2013)之后在科研界和公众界都引起巨大反响,得到新华社、BBC、NBC、National Geographic, 英国泰晤士报等100多家国内外新闻媒体的关注和报道,Cell杂志做了特别评述(Learning from Exotic Species. Cell,2013,154: 257-259),并受到中国科学以及美国著名大众科学杂志Scientific American的邀请撰文科普评论(Xu and Luo, 2014; Luo and Xu, 2014)。

除了黄虎和白虎,在虎的种群中还存在有其他两种毛色型,亦即金色底红棕色条纹的金虎和除尾部浅灰色条纹外几乎全白的雪虎。通过基因组测序和全基因组关联分析(GWAS),我们成功地将金虎的毛色决定基因定位到编码跨膜丝氨酸蛋白酶的CORIN,并在金虎和雪虎中发现了错义突变H587Y。随后我们就基因突变的细胞和生化途径进行了功能的验证,发现野生型CORIN能够抑制作用于哺乳动物黑色素细胞通路的重要“开关”蛋白ASIP的活性,而H587Y突变影响了CORIN对ASIP胞外活性的抑制能力。由此证明了CORIN通过调节ASIP的活性参与黑色素合成的调控通路,进而影响虎的毛色形成。该研究进一步在200只无亲缘关系的虎样品组中展开筛查,最终确认金虎毛色型由CORIN H587Y突变所致,雪虎毛色型由SLC45A2 A477Y和CORIN s双隐性纯合导致,由此全面阐明了现存于虎中所有不同于野生型的毛色多样性的遗传基础(Xu et al. 2017)。

除了虎色毛色表型多样性,我们还就青藏高原牦牛的棕色和白色型的遗传决定机制进行了探索(Zhang et al. 2014)。从2013年起,我们开始繁殖并维系特定表型分离的家猫谱系,通过基因组连锁分析鉴定出日本短尾猫和华南和东南亚地区广布的短尾/折尾猫的遗传基础(Xu et al. 2016)。我们发现HES7基因的点突变是形成这一性状的原因。 此前的研究已经发现,马恩岛猫和几种短尾猫的短尾/无尾性状来自T基因的突变。然而,这种基因已被证明与日本短尾猫的短尾性状无关,这说明至少还有一种家猫短尾基因。 通过对自繁殖的谱系中两代13只猫进行了遗传分析,并在另外233只没有亲缘关系的猫得到了关联性确认。携带HES7上缬氨酸替换为丙氨酸的杂合子家猫在不同程度上表现出了短尾性状,从尾巴稍短(约2.5厘米长)到10-20厘米不等。另外,我们还发现来自华南短尾猫中,有大约三分之一并不携带与短尾有关的HES7或T基因变异,这说明在华南和东南亚地区的短尾猫中,至少还存在其他导致短尾的基因。后续工作正在进行。尾在脊椎动物中发挥着重要的作用,而在演化过程中多次出现变短甚至是消失的演化事件。脊椎动物尾的发育由复杂的基因调控网络决定,但目前对该网络的认识还不够完善,因此研究脊椎动物尾演化的机制,首要的工作应该是鉴定出影响脊椎动物尾巴生长发育的功能基因,完善决定脊椎动物尾发育的基因调控网络。

我们聚焦非传统模式动物,通过对猫科动物毛色和表型多样性遗传机制的研究为诠释哺乳动物毛色多样性和适应性的遗传基础做出了贡献。该系列工作对濒危物种研究中常见的采样局限的共通难题,提供了一个有启迪性的研究思路,并将传统的野生动物遗传多样性的研究提升到关于表型特征、种群多元变异与自然选择的演化生物学意义的探讨。

2.野生动物基因组多样性、分子生态学和种群遗传学研究

在野生动物的演化和种群遗传学研究方向上,我们长期致力于阐述亚洲野生猫科动物的演化历史和谱系地理学研究。我们探讨了在第四纪冰河时期环境气候变化影响下东南亚同域分布猫科动物的生物谱系地理学格局,揭示了亚洲猫科动物演化和遗传多样性形成的重要机制,并进一步通过全基因组测序全面解析分布于不同地域的物种和亚种的进化和起源等(Luo et al. 2014)。最近,我们完成了第一次涵盖世界所有8种穿山甲物种的完整的系统发生学和演化历史研究,以封面文章发表于Journal of Heredity(Gaubert et al. 2017)。

通过基因组学与种群遗传学的结合研究物种演化和适应性是动物分子遗传学的新领域和研究热点。虎(Panthera tigris)是世界上最大的猫科动物,也是最引人关注的野生动物旗舰物种之一,但由于其中三个亚种已经灭绝,其余六个亚种也已处于濒危状态(如华南虎),野生种群的恢复面临重新引进的必要性和可能性。深入研究虎亚种的遗传起源和种群基因组多样性,将为此奠定关键的科学基础。早在2004年,我们利用分子遗传学方法首次发现老虎的第九亚种并新命名为马来虎 Panthera tigris jacksoni (Luo et al. 2004),第一次提出虎亚种鉴定的客观遗传学标准, 成为目前世界上通用的关于虎的系统分类和保护繁育政策制定(例如IUCN, CITES等国际组织和公约)的科学基础 (Luo et al. 2004;2008;2010)。最近,我们运用古代DNA技术,第一次从已经灭绝的爪哇虎和巴厘虎标本中成功提取DNA进行序列分析,发现三个岛屿种群来源于一个较为近期的共同祖先种群,在末期冰川期之后形成地理隔离和亚种分化,爪哇虎和巴厘虎与苏门答腊虎亚种亲缘关系最近(Xue et al. 2015) 。现存苏门答腊虎与已经灭绝的爪哇虎和巴厘虎遗传上的相似性,为可能的爪哇岛和巴厘岛上虎种群的重新引入提供了的科学合理的源种群基础。随着本研究工作的完成,首次完整揭示了现代虎所有九个亚种的进化历史和分子遗传学关系。

目前,我们进一步获得了有明确地理来源的虎样品的全基因组重测序数据,对虎的谱系地理学、种群遗传结构、物种演化史和地域适应性的遗传基础进行了深入的探讨,进一步解决了现代虎亚种划分的争议,描绘了虎的完整演化蓝图(Liu et al. in revision)。结果表明虎的整体遗传多态性较低,但种群分化程度很高。基于全基因组单核苷酸多态性位点的系统发生学和种群遗传结构分析支持了六个现存虎亚种的划分,分别为苏门答腊虎(P. t. sumatrae),孟加拉虎(P. t. tigris),印支虎(P. t. corbetti),马来虎(P. t. jacksoni),东北虎(P. t. altaica)和华南虎(P. t. amoyensis)。 通过比较基因组学的研究我们检测到与不同生态系统中虎种群的区域适应性和自然选择高度相关的基因组信号。

在青藏高原物种的分子生态学和保护遗传学研究方向,我们通过线粒体和微卫星分析,对全世界最濒危的有蹄类动物之一中国特有种普氏原羚全部种群进行了遗传多样性及种群结构分析,首次检测到了被青藏铁路分隔开的哈尔盖南北两个分布区间的遗传分化,可能与最近十年间(2006年至今) 建成的铁路两侧全封闭围栏有关(Yu et al. 2017)。这一结果显示了人类活动和道路建设对于野生动物种群的重要影响,凸显了在铁路沿线建设适合野生动物使用的生态廊道、并进行长期种群监测的重要性。

为了实验室的可持续性发展,我们建立了两个重要的资源和设施平台:(1)数字化规范管理的生物样品资源库和(2)古代/博物馆实验室。首先,随着国际国内基因组计划的发展和基因组学技术的迅猛进步,珍贵的生物样品资源将日益成为许多成功研究的决定因素。我们协调国家林业局、国家濒科委、国家濒管办,使北大生科院获得了濒危野生动植物国际贸易公约(CITES) 认证科研机构的资质,创建了珍稀濒危哺乳动物的基因资源库,完成了来自美国NIH原基因组多样性实验室(PI: Stephen O’Brien)的样品库转运,建立了涵盖亚洲和世界哺乳动物代表种及重要种群的样品资源库,为比较基因组学、生物多样性和保护遗传学等领域的研究建立了珍贵的资源平台。其次,因为本实验材料涉及到大量古代样品和博物馆样品DNA,以及其它DNA含量极低或严重降解的样品,遵循国际古代DNA实验操作规范,我们建立了专门针对古代/博物馆DNA的超净实验室。该实验室在空间上独立,配备HEPA超净空气滤网,全空间紫外线照射,以及正压气流调节等设备,使得实验室在处理古代生物样品,以及野外非损伤性采集的样品(现代但DNA含量极低或者严重降解的样品,例如粪便、毛发等)上具有相当的优势。

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徐霄、庄延、刘悦晨、孙鑫、蒙皓、邢悦婷、司思、蔡佳瑶