犬类生殖系新生突变决定因素：PRDM9缺失背景下父系年龄、体型大小与CpG岛重组的交互作用

　　本研究针对非模式物种中生命史、基因组结构与重组间相互作用机制不清的问题，通过大规模家犬（43品种390个家系）全基因组三重测序，揭示了犬生殖系新生突变（DNM）率（4.89×10-9/bp/代）及其决定因素。发现父系年龄效应比人类高1.5倍，大型犬早期发育突变增加，CpG岛（CGI）突变率超基因组均值2.6倍（人类无此现象），并首次报道MLH1介导的母系生殖系超突变案例。该研究阐明了PRDM9缺失物种中重组定位的诱变效应，为理解物种突变率演化及疾病易感性提供了关键理论依据。

　　

在生命演化与遗传疾病研究中，生殖系新生突变（de novo mutation, DNM）的发生机制一直是核心科学问题。尽管模式生物（如人类和小鼠）的研究已揭示突变率与父系年龄、DNA修复机制等的关联，但非模式物种中生命史特征、基因组架构与重组过程的交互作用仍不明确。家犬（Canis lupus familiaris）作为独特的模型系统：一方面经历高强度人工选择形成显著表型多样性，另一方面缺乏重组调控因子PRDM9基因，使其成为解析突变积累影响因素的天然实验体系。

为系统揭示犬生殖系突变规律，由昆明动物研究所张国捷研究员、赫尔辛基大学Hannes Lohi教授及奥胡斯大学Mikkel Heide Schierup教授领衔的国际团队，对43个犬品种的54个多代家系（390个三重样本）开展全基因组测序（平均深度43.3×），通过严格生物信息学流程鉴定高质量DNM，结合父母本分型、重组事件定位及跨物种比较分析，深入解析突变率的影响因素与进化意义。该研究发表于《Genome Biology》2025年第26卷。

研究关键技术方法包括：基于Illumina HiSeq 2000平台的全基因组测序；GATK最佳实践流程进行变异检测；家系辅助型DNM鉴定与假阳性过滤；精子甲基化数据定义CGI功能状态；贝叶斯泊松回归建模父母年龄效应；系统发育分析估算PRDM9丢失时间。

研究结果主要包括以下方面：

Dog mutation rates shaped by parental ages

通过分析8312个高质量常染色体DNM，估计犬生殖系突变率为4.89×10^-9/bp/代，与狼 pedigrees 既往估计（4.5×10^-9）高度一致。父母年龄（尤其父系年龄）是突变率的关键决定因素，犬父系年龄效应比人类高1.5倍（年积累率3.7倍）。品种间突变率差异经父系年龄和同窝效应校正后不再显著，但体型大小影响突变积累动态：大型犬早期突变更多，小型犬青春期后年积累率更高。

Putative maternal MLH1-mediated hypermutation

发现一例Border Collie超突变个体（214个DNM，正常值为21-25个），其中140个为母源突变。其母携带MLH1 p.D375N错义突变（PolyPhen-2预测致病），提示母系MLH1介导的生殖系不稳定性可能导致跨代超突变，为DNA修复基因缺陷相关突变负荷提供了首例犬类证据。

Mutational spectrum in dogs compared to humans

犬突变谱与小鼠相似度高（而非近缘的人类），表现为CpG位点C>T突变比例更高、T>C更低。尽管共享突变比例（0.45%）与人类（0.4%）无显著差异，但CGI区域突变率显著高于人类（7.14倍）和小鼠（4.41倍），且CpG>TpG突变在CGI中更活跃。

Mutation rate on the X-chromosome

X染色体非伪常染色体区突变率为常染色体的0.66倍，符合雄雌突变率比（3.01）预期。伪常染色体区（PAR）因重组率极高（约8倍基因组平均），突变率升至常染色体1.8倍，证实重组的诱变效应。

Recombination causes increased mutation rate in hypomethylated CpG Islands

基于精子甲基化数据将CGI分为 hypomethylated（功能调控区）和 methylated（非调控区）。发现 hypomethylated CGI 所有突变类型均升高（校正后2.34倍），而 methylated CGI 仅CpG突变增加。表明前者突变富集源于重组诱变（约0.8%总突变可归因于此），且该效应独立于父母年龄。

Estimated age of loss of PRDM9

通过跨物种（10个哺乳动物）系统发育分析，发现犬科动物（缺失PRDM9）hypomethylated CGI 进化速率达常染色体2.21倍，而PRDM9功能物种该比值近1。推测PRDM9丢失发生于犬科与熊科分化后（约3730万年前），表明该缺失在犬科演化中已久。

研究结论与讨论强调：犬生殖系突变率在人工选择下保持稳定，但受父系年龄、体型大小及CGI重组共同调控。PRDM9缺失导致重组定位于开放染色质（如CGI），增加功能区域突变负荷，可能解释PRDM9系统在多数脊椎动物中的进化优势。MLH1相关超突变案例拓展了DNA修复基因跨物种研究维度。该研究为理解PRDM9缺失物种的基因组进化、突变率约束及疾病机制提供了范式。