大规模基因组分析揭开了灵长类动物进化的秘密

　　近日，灵长类动物基因组联盟（Primate Genome Consortium）发表了第一阶段项目的一系列成果，包括50种灵长类动物的高质量参考基因组，其中27种是首次测序。这些研究为物种分化过程、基因组多样性、社会进化、性染色体、大脑及其他生物特征的进化提供了新的见解。

　　

近日，灵长类动物基因组联盟（Primate Genome Consortium）发表了第一阶段项目的一系列成果，包括50种灵长类动物的高质量参考基因组，其中27种是首次测序。这些研究为物种分化过程、基因组多样性、社会进化、性染色体、大脑及其他生物特征的进化提供了新的见解。

这个联盟由浙江大学生命演化研究中心的张国捷教授、昆明动物研究所的吴东东研究员、西北大学的齐晓光教授、云南大学的于黎研究员、丹麦奥胡斯大学的Mikkel Heide Schierup教授和华大生命科学研究院副研究员周旸共同领导。

大规模的系统发育基因组学研究

在系统发育的背景下对灵长类动物的基因组进行比较分析，对于理解人类遗传结构的进化以及与灵长类动物多样化相关的种间基因组差异至关重要。以往的灵长类动物基因组研究主要集中在与人类亲缘关系较近的灵长类物种上，而且由于缺乏广泛的系统发育覆盖而受到限制。

吴东东研究员表示：“尽管全世界有500多种灵长类动物，但目前只有23种具有代表性的非人类灵长类动物的基因组被公布，还有72%的属仍未测序，这就造成了重大的知识缺口。”

为了填补这一缺口，研究联盟采用长读长测序技术对27种灵长类动物进行了高质量的基因组测序，包括以前未被完全测序的谱系。结合之前发表的灵长类动物基因组，这个项目对14科38属共50种灵长类动物进行了系统发育基因组学研究，为基因组和表型进化带来新见解。

“基于全基因组数据，我们构建了一个可靠的系统发育树，并估计所有灵长类的最近共同祖先（Crown Primates）出现在6829万到6495万年前，与白垩纪/第三纪边界重叠，”吴冬冬说。

这项研究报告了各个灵长类谱系中的基因组重排情况，并确定了数千个候选基因，这些基因在系统发育的不同祖先分支中经历了适应性自然选择。具体包括对神经、骨骼、消化和感觉系统的发育很重要的基因，所有这些都可能对灵长类动物的进化创新和适应性做出了贡献。

张国捷教授称：“令人惊讶的是，我们在包括新世界猴、旧世界猴和大猿在内的类人猿的共同祖先身上发生了这么多涉及大脑相关基因的基因组变化。这些基因组创新在该祖先节点上深度进化，可能为人类独特特征的进一步进化铺平了道路。”

普遍存在的不完全谱系分流

尽管大家都知道黑猩猩和倭黑猩猩与人类的亲缘关系更近，但事实上，人类基因组中却有15%的基因组区域与大猩猩更接近。这主要是由不完全谱系分流（incomplete-lineage sorting，ILS）造成的。这种特殊进化事件是指祖先的一部分基因多态性会随机分流到后代物种中。

这项研究对灵长类动物进化过程中的物种分化事件进行了研究，发现灵长类动物的29个主要祖先节点都频繁发生不完全谱系分流，有些节点受ILS影响的基因组比例超过50%。

“遗传多样化过程并不像我们通常所知道的那样遵循分叉树状的拓扑结构，它更像是一个复杂的网络，”张国捷教授称。“研究每个个体基因的进化过程是很重要的，这也可能影响跨物种的表型进化”。

不完全谱系分流在基因组上表现出广泛的变化，主要是由重组驱动的。Mikkel Heide Schierup表示：“我们观察到，与中性进化相比，X染色体上的不完全谱系分流比常染色体上少很多，这表明在灵长类动物进化过程中，自然选择对X染色体的影响更大。”

研究人员结合基因组上的不完全谱系分流特征，在没有化石时间校正的情况下，重新估算灵长类物种遗传分化时间，发现与已知的化石时间基本一致。这篇论文的第一作者Iker Rivas-González称：“这表明，即使没有化石记录，分子年代测定也能准确估计物种形成的时间。”

物种杂交事件

人们逐渐认识到，杂交是在动植物中产生表型多样性的重要进化力量。这在能够容忍全基因组复制和倍性水平增加的谱系中尤其常见。不过在哺乳动物中，通过杂交形成物种却鲜有报道。

利用完整的基因组数据，研究小组发现，黔金丝猴是川金丝猴和滇/怒江金丝猴共同祖先杂交后形成的物种，在演化过程中与两个祖先物种形成了生殖隔离，进而成为一个新的独立物种。

“据我们所知，这是第一次在灵长类动物中记录到杂交物种形成事件，”于黎研究员称。

这项研究进一步确定了黔金丝猴的关键基因，也解释了特有毛色的来源。黔金丝猴的毛发基因有些来源于川金丝猴，有些来源于滇/怒江金丝猴的共同祖先。

亚洲叶猴的社会复杂性

灵长类动物有非常多样化的社会系统，然而，社会进化的生物学机制却知之甚少。经典的社会生态学模型假设，社会系统的多样性是对环境变化的一种反应。

这项研究以亚洲叶猴作为模型系统，因为这个物种经历了从一公多母到复杂多层次社会形态的阶段性社会进化过程。他们利用全基因组数据重新构建了亚洲叶猴的物种形成过程，发现环境温度与物种的群体大小之间存在很强的相关性。

生活在寒冷环境中的灵长类动物倾向于群居。古代冰河期推动了这些灵长类动物的社会进化，促进了北方奇鼻猴类的聚集，形成了嵌套的多层次社会结构。

在这一转变过程中，奇鼻猴似乎在许多与寒冷适应和神经系统相关的基因中表现出正向选择。齐晓光教授认为：“奇鼻猴的母婴联结期似乎更长，这可能增加了婴儿在寒冷环境中的存活率。DA/OXT受体是调节社会关系的重要神经激素。这一信号通路在奇鼻猴中得到增强，促进了该物种的社会交往、凝聚力和合作。”

相关文献：

Shao Y, Zhou L, Li F, et al. 2023. Phylogenomic analyses provide insights into primate evolution. Science. https://doi.org/10.1126/science.abn6919

Rivas-González I, Rousselle M, Li F, et al. 2023. Pervasive incomplete lineage sorting illuminates speciation and selection in primates. Science.  https://doi.org/10.1126/science.abn4409

Wu H, Wang Z, Zhang Y, et al. 2023. Hybrid origin of a primate, the gray snub-nosed monkey. Science. https://doi.org/10.1126/science.abl4997

Qi X-G, Wu J, Zhao L, et al. 2023. Adaptations to a cold climate promoted social evolution in Asian colobine primates. Science.  https://doi.org/10.1126/science.abl8621

Gao H, Hamp T, et al. 2023. The landscape of tolerated genetic variation in humans and primates. Science. https://doi.org/10.1126/science.abn8197

Kuderna L, Gao H, et al. 2023. A global catalog of whole-genome diversity from 233 primate species. Science. https://doi.org/10.1126/science.abn7829

Sørensen E, Harris R, et al. 2023. Genome-wide coancestry reveals details of ancient and recent male-driven reticulation in baboon. Science. https://doi.org/10.1126/science.abn8153

Fuziev P, McRae J, et al. 2023. Rare penetrant mutations confer severe risk of common diseases. Science. https://doi.org/10.1126/science.abo1131

Zhang B-L, Chen W, et al. 2023. Comparative genomics reveals the hybrid origin of a macaque group. Science Advances. https://doi.org/10.1126/sciadv.add3580

Bi X-P, Zhou L, et al. 2023. Lineage-specific accelerated sequences underlying primate evolution. Science Advances. https://doi.org/10.1126/sciadv.adc9507

Zhou Y, Zhan X-Y, et al. 2023. Eighty million years of rapid evolution of the primate Y chromosomes. Nature Ecology & Evolution. https://doi.org/10.1038/s41559-022-01974-x