中外科学家8篇Science：聚焦灵长类基因组计划——揭示灵长类动物演化之谜

发布于:基因生物研究 2023-06-02 3284

人类是灵长类动物之一。因为我们会写诗，会操控复杂工具，所以我们和其他大型灵长类动物包括黑猩猩、大猩猩、狒狒以及红毛猩猩等，非常不同。因此探究灵长类动物的基因组、起源和社会演化过程将极大帮助我们了解人类自己。2023年6月1日，以我国科学家组织的灵长类基因组计划发布了阶段性成果，在灵长类演化研究上取得重大进展，并回答了与该类群有关的一系列问题。其主要成果以研究专刊的形式在Science发表4篇论文，同期还发表了作为该计划扩展的国际灵长类研究联盟的4篇论文。同时该项目有另外3篇卫星论文同日发表于Science Advances、Nature Ecology & Evolution等期刊。

该计划由浙江大学生命演化研究中心的张国捷教授团队、昆明动物所吴东东研究员团队、西北大学齐晓光教授团队、云南大学于黎研究员团队、西北大学李保国教授团队、四川大学生命科学学院刘健全团队等联合国内外多个研究中心组成联盟，通过多学科交叉技术手段对灵长类基因组展开比较研究，研究人类在内的灵长类物种的起源和分化过程、灵长类社会行为和社会组织的起源、以及大脑等各种生理特征的演化和遗传基础。

该计划的旗舰论文，题为：Phylogenomic analyses provide insights into primate evolution。通过分析基因组数据和化石时间数据，研究人员推断出了灵长动物各主要类群的演化时间，并推断出所有灵长类的最近共同祖先出现在大约6829万到6495万年前，距离6550万年前的白垩纪末期大灭绝事件非常近，大致位于白垩纪的界限附近。这意味着灵长类动物的演化可能受到了物种大灭绝事件的影响。研究还发现，从灵长类的祖先到人，灵长类的相对脑容量在四个关键的演化节点显著增大并有与之对应的基因演化，在猩猩等大猿物种出现之后，这种趋势变得尤其突出，并在人类中达到了顶峰，这使得人类不仅拥有了灵长类中最大的脑容量，还拥有折叠程度最为复杂的大脑皮层。此外，该计划的不同研究项目还分别揭示了灵长类前肢形态的形成以及猿类尾部的消失等现象的分子机制，重新解释了人类第8号染色体的起源问题，分析了灵长类Y染色体结构的演变历史，研究了灵长类特异的快速演化DNA序列等。

其中一篇主要论文从系统发育、生物地理等多角度还原了亚洲叶猴类的演化历史，题为：Adaptations to a cold climate promoted social evolution in Asian colobine primates。研究提出了亚洲叶猴类从喜马拉雅山南麓到达东亚、东南亚地区的历史扩散路线，发现对寒冷气候的适应驱动了亚洲叶猴社会的复杂化，发现催产素通路和多巴胺通路在其中部分类群经历了快速演化，促进了亚洲叶猴从单家庭群向复杂多层社会系统的聚合，揭示了灵长类复杂社会结构的演化机制，为灵长类社会性演化提供了深入的案例研究。

另一篇主要论文重建了金丝猴类的演化过程，题为：Hybrid origin of a primate, the gray snub-nosed monkey，提出了黔金丝猴是由川金丝猴和滇金丝猴/怒江金丝猴共同祖先杂交后成为新的物种。无独有偶，在《科学进展》（Science Advances）发表的工作则发现猕猴类中的食蟹猴种组（包含3个物种）是狮尾猴种组的祖先与斯里兰卡种组的祖先杂交后形成的新物种类群。这是杂交成种现象在灵长类中首次发现，也表明跨物种杂交是灵长类新物种形成过程中的驱动力之一。

还有一篇主要论文对灵长类中导致基因树和物种演化树冲突的不完全谱系分流现象进行了系统性研究，题为：Pervasive incomplete lineage sorting illuminates speciation and selection in primates。该现象是指生物祖先的一部分基因多态性会被随机分流到分化出的不同物种里的情况，会造成了亲缘关系较远的物种之间在某些基因上也会存在相似性。如人与黑猩猩的亲缘关系比大猩猩要更近，但事实上，在人的基因组里却有超过15%的基因组区域反而跟大猩猩更相似。不完全谱系分流会对获得正确的演化关系造成干扰。基于此研究，科研人员提出了一套全新的分子钟算法，这一算法考虑了不完全谱系分流现象，可以在不依赖化石年代记录辅助下，获得灵长类准确的物种分化时间。同时，研究还揭示了不完全谱系分流对基因功能和性状分化的影响。

国际研究联盟则对来自233种灵长类动物的809个个体进行了基因组的重测序数据进行分析：A global catalog of whole-genome diversity from 233 primate species；Genome-wide coancestry reveals details of ancient and recent male-driven reticulation in baboons；The landscape of tolerated genetic variation in humans and primates。基于基因组杂合性和连续性纯合片段长度的分析结果表明，基因组多样性与世界自然保护联盟划定的灭绝风险类别之间在整体上没有直接关联。也就是灵长类的遗传多样性与物种灭绝风险不完全匹配，遗传多样性并不能完全表征物种的濒危程度。

该计划的另一个项目：Rare penetrant mutations confer severe risk of common diseases，基于以上个体的数据鉴定出了人类直系同源蛋白上430万个可能导致蛋白结构变化的基因变异位点，加入人类疾病基因数据后，训练了PrimateAI-3D的人工智能神经网络以识别和前瞻性地判断人类可能出现的基因突变并预测是否可能为良性突变。研究团队基于该人工智能开发了通过罕见突变预测人类患病风险的方法，并发现常见变异和罕见变异在预测人类疾病风险方面具有互补的效用，这对于预防性筛查具有重要的意义。