近日，我院王禹教授联合哥本哈根大学Rasmus Heller研究团队在麝香牛和驯鹿趋同进化适应北极环境方面取得重要研究进展，该研究成果以题为“Convergent molecular evolution of thermogenesis and circadian rhythm in Arctic ruminants”在线发表于国际学术期刊《Proceedings of the Royal Society B》上。王禹教授和Rasmus Heller教授为共同通讯作者，王禹教授在读博士生李曼曼、在读硕士生李鑫妹和吴志培为共同第一作者。

解析动物极端环境适应性以及复杂性状起源和演化规律的遗传基础是动物遗传学研究的热点领域。趋同进化可用于研究基因组如何编码表型和量化进化的可重复性。反刍动物麝香牛（ Ovibosmoschatus ）和驯鹿（ Rangifer tarandus ）趋同进化出大量内脏棕色脂肪（BAT）以抵御初生时所面对的严酷寒冷环境，可作为动物极端环境适应性研究的范例。

本研究从头组装了麝香牛高质量基因组，结合已发表的物种基因组数据，构建了系统发育树。结果表明麝香牛属于牛科的羊亚科，而驯鹿属于鹿科和空齿鹿亚科（图 1）。利用PAML软件鉴定出了413个麝香牛快速进化基因和93个麝香牛正选择基因以及552个驯鹿快速进化基因和150个驯鹿正选择基因。其中麝香牛和驯鹿共享37个快速进化基因和6个正选择基因。利用PCOC（氨基酸图谱变化模型（PC模型）和每个位点至少有一个氨基酸变化模型（OC模型））和conv_cal方法鉴定了23个麝香牛和驯鹿中的具有趋同氨基酸替换位点的基因。

图1 麝香牛和驯鹿的系统发育树和地理分布

为进一步研究麝香牛和驯鹿中受选择基因是否与BAT产热相关，本研究利用山羊转录组数据鉴定了BAT和白色脂肪组织间的差异表达基因。结果表明差异表达基因中有209个受选择基因，其富集在BAT产热相关通路（图2）。

图2 麝香牛和驯鹿在BAT生热通路中的遗传变化

同时，本研究鉴定到了5个与血管生成相关的基因。其中，在70个物种中，HIF2A具有麝香牛和驯鹿特有的趋同氨基酸替换E419D (图3a)。该替换位点导致HIF2A中HIF1结构域的三维结构发生了微小的变化(图3b)。免疫共沉淀结果表明，与野生型相比，突变型与PHD2的结合强度较低（图3c），降低了PHD2的羟化作用，进而增强了HIF2A的稳定，这可能增加血管生成因子 VEGF 的表达。此外，在哺乳动物中，光通过光传导通路调节下丘脑视交叉上核中的生物钟。本研究分别在驯鹿和麝香牛中鉴定了与昼夜节律通路有关的基因。

图3 麝香牛和驯鹿HIF2A的趋同氨基酸替换

综上，本研究通过比较从头组装的麝牛基因组与驯鹿和其他反刍动物的基因组，鉴定了两种北极反刍动物的快速进化基因、正选择基因和具有氨基酸替换位点的基因，发现这些候选基因主要参与BAT产热和昼夜节律。本研究为北极适应性的分子机制提供了新的见解。

本研究得到十四五国家重点研发计划青年科学家项目“反刍家畜基因编辑育种靶点挖掘”（2021YFF1001000）和国家自然科学基金面上项目（32170627）的共同资助。

原文链接：https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2023.0538.