项目文章|带你走近喀斯特石山精灵,探寻白头叶猴生存奥秘
2021.04.19


2021年4月8日,广西医科大学研究团队联合安诺优达在BMC Biology发表了题为“The reference genome and transcriptome of the limestone langur, Trachypithecus leucocephalus, reveal expansion of genes related to alkali tolerance”的研究论文。研究团队通过对濒危物种白头叶猴进行基因组和转录组联合分析,揭示了其能够在富含矿物离子的高碱性自然环境中长久生存的基因组遗传特征。安诺优达在本研究中承担了基因组de novo组装以及Hi-C辅助组装的相关工作,为揭示白头叶猴适应喀斯特山地环境的遗传本质助力。其中,安诺优达杨伟飞为文章的共同第一作者,裴素蕊、刘涛和邱洪为该文章的合作作者。



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白头叶猴参考基因组和转录组分析揭示其耐碱性相关基因的扩张

文章名称:The reference genome and transcriptome of the limestone langur, Trachypithecus leucocephalus, reveal expansion of genes related to alkali tolerance

发表时间:2021年4月8日

发表杂志:BMC Biology(6.723)


样本选择

白头叶猴的血液样本、白头叶猴的不同组织样


测序策略

DNA:PacBio RS II平台基因组测序,构建20 kb文库
           Illumina HiSeq测序,构建Hi-C文库
RNA:Illumina HiSeq X Ten测序平台


研究背景

白头叶猴(Trachypithecus leucocephalus)是一种极度濒危的灵长类动物,定居于广西西南部的喀斯特山脉。由于山脉石灰石的长期风化和侵蚀,土壤和水体中K+、Na+、Ca2+、Mg2+等元素含量呈增加趋势,形成了高钙、高碱以及高浓度矿物金属离子的自然环境,严重影响了当地生物的生存,白头叶猴却能在这种自然环境中长期生存,该物种是否在长期的进化过程中形成了适应这种环境的特殊的生理机制呢?带着这个疑问,研究小组利用PacBio测序技术和Hi-C辅助组装技术获得了高质量的白头叶猴基因组,阐明了白头叶猴适应喀斯特山地环境的遗传本质,同时为灵长类系统进化发育提供了新的研究基础。


技术路线

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研究结果

01

白头叶猴基因组组装结果

研究人员取白头叶猴血液样本的DNA进行了Illumina(100x)和PacBio(60x)测序,并结合Hi-C数据(~87x)进行基因组辅助组装,获得了高质量染色体水平的基因组。基因组大小为2.85 Gb,contig N50为5.6 Mb。最终将总长度为2.6 Gb(~92%)的contig挂载到了22条染色体上(图1),superscaffold N50为130 Mb,极大提升了基因组组装的连续性和完整性。

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图1 白头叶猴染色体水平的基因组图谱


02

系统发育分析

利用白头叶猴、黑叶猴及其他14个近缘物种的单拷贝同源基因构建进化树,发现叶猴属和仰鼻猴属亲缘关系比较近,大约在950万年前分化;同属于叶猴属的白头叶猴和黑叶猴分化时间大约在450万年前,确定了白头叶猴的进化地位和进化节点(图2)。

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图2 白头叶猴及其15个近缘物种的系统发育进化关系


03

矿物吸收通路的功能进化

由于石灰石的长期风化和侵蚀,白头叶猴生境中K+、Na+、Ca2+、Mg2+等矿物元素含量呈增加趋势。在此高浓度矿物质和金属离子的自然环境中,机体有效控制Ga2+、Mg2+和Zn2+等矿物质离子循环水平的能力对发育和健康至关重要。为了探究白头叶猴在矿物吸收生物学功能方面的进化,研究者锁定了矿物吸收通路进行了详细分析(图3)。
研究者在白头叶猴矿物吸收通路中发现了8个扩张的基因家族,其中扩张较为显著的FTH1基因家族编码的铁存储蛋白和重铁存储蛋白,能够实现机体对铁的吸收溶解及铁的无毒存储,并且FTH1的20个拷贝中约1/2(9个拷贝)在白头叶猴的肺、肝脏、睾丸、肌肉、肾脏和心脏中都有表达,因此FTH1扩张对于白头叶猴适应特殊高金属离子环境具有重要意义。

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图3 白头叶猴体内矿物吸收途径示意图概览


04

钙离子浓度调节及信号转导的功能进化

已有研究发现钙离子过高会导致线粒体肿胀破裂,导致钙离子负荷性细胞死亡,因此在高金属离子环境中维持细胞内钙离子稳定尤为重要。本课题研究发现了三个正向选择基因(ADCY1CACNA1GCCKBR)富集在钙离子信号通路,且通路中有五个基因家族(VDAC1VDAC2ADCYCLAM2SLC25A5)发生了显著扩张。
白头叶猴中调节线粒体外膜Ca2+转运的VDAC1VDAC2基因家族均有6个拷贝,相比于其它灵长类多了5个拷贝,其中2/3的拷贝基因在白头叶猴的七个组织中均表达,对于钙离子代谢调节至关重要。除此之外,白头叶猴基因组中与钙离子释放相关的RyR基因家族和MUC基因家族均收缩以平衡线粒体和细胞质钙离子水平,维持体内钙离子稳态。因此,白头叶猴基因组含有适应喀斯特石灰岩栖息地高钙水平的特征。

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图4 白头叶猴体内钙离子调节信号通路示意图概览


文章小结

本研究利用PacBio平台测序数据和Hi-C数据组装出了白头叶猴高质量的染色体水平的基因组,为灵长类进化及系统发育提供了新的见解。此外,结合转录组数据辅助阐明了白头叶猴对高碱环境适应的遗传基础。基因组结构及功能注释显示,白头叶猴能够适应喀斯特石灰岩地貌是因为基因组中存在许多扩张的基因家族以及特定的正向选择基因都能够增强机体矿物吸收以及钙离子调节和信号转导能力。因此,白头叶猴基因组数据为理解白头叶猴在独特生态位长久生存提供了数据基础,并且揭示了该物种在此环境中进化出的独特生理功能。


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参考文献

Tengcheng Que, Huifeng Wang, Weifei Yang, et al. The reference genome and transcriptome of the limestone langur, Trachypithecus leucocephalus, reveal expansion of genes related to alkali tolerance[J]. BMC Biology. 2021, 19:67.