近日，德国维尔茨堡大学生物中心在《Nature》发表了题为“The genomes of all lungfish inform on genome expansion and tetrapod evolution”的研究论文。

研究对南美肺鱼(Lepidosiren paradoxa)和非洲肺鱼(Protopterus annectens) 的基因组进行了组装，分别获得大小为87.2 Gb和40.5 Gb的南美肺鱼和非洲肺鱼参考基因组。通过对肺鱼基因组的研究，研究团队发现肺鱼基因组大小扩张主要是由于其转座元件（TE）的持续活跃，使得肺鱼基因组在过去的一亿年中持续扩张。通过基因组的结构分析，研究发现肺鱼的染色体仍然保守地反映了原始四足动物的核型，说明在早期四足动物演化中，肺鱼染色体作为独立的进化单元存在。通过对肺鱼类的染色体水平基因组组装，使研究人员能够深入了解肉鳍鱼类的独特基因组结构和演化历程，这为探讨四足动物的演化过程奠定了重要基础。

 肺鱼染色体有助于重建四足动物/脊椎动物的同系单位

研究团队进行基于贝叶斯时间校准的系统发育分析，通过富含分类群的数据集和化石时间校准，分析发现肺鱼和蝾螈发生了两次进化上独立的大规模基因组扩张事件，肺鱼基因组的初始增长可能早于现存肺鱼的共同祖先时期，其中美洲肺鱼科的增速为每百万年124 Mb，而南美肺鱼科的增速更快，为每百万年371 Mb或每10百万年3.71 Gb。这是迄今为止报道的二倍体基因组扩张速度最快的情况。

使用化石记录数据和现存肺鱼的细胞大小数据，并且结合系统发育树进行时间标定，推断肺鱼的祖先细胞大小，以及新的时间校准的系统发育分析。结果表明，细胞和基因大小之间存在强烈的相关性，可以近似推断基因组大小演化的动态过程。通过肺鱼转录组数据，发现主要是TE积累引起蝾螈和肺鱼类的大规模基因组扩张，但不同肺鱼由不同类型的TE主导。

基因组和细胞大小的进化关系

与PIWI蛋白相互作用的非编码小RNA（piRNAs）是一类长度为23-31bp的非编码小单链RNA。它们通过沉默TE转录在维持种系DNA完整性方面发挥着重要作用，从而控制TE的拷贝数和活性，进而控制基因组大小。TE的低水平piRNA沉默可能是肺鱼进化过程中大规模基因组扩增的原因之一。通过对来自9种不同物种piRNA文库的分析，我们发现在澳大利亚肺鱼中预期在28bp左右存在峰值，但在非洲和南美洲肺鱼中，大多数piRNA似乎被降解。已知的四足动物和鱼类的piRNA代谢基因都存在于三种肺鱼的基因组中并表达，但这些基因的表达水平和蛋白质结构方面是否与四足动物相同的问题，仍需要进一步研究。

三种肺鱼、两栖动物和鱼类的氧化小RNA文库reads的大小分布

非洲和南美肺鱼的进化形成了简化的鳍，与澳大利亚肺鱼相比缺少鳍辐骨。这种鳍缩减与多个基因的丢失相关，包括与骨骼发育和鳍肢发育有关的基因。

Sonic Hedgehog（Shh）是一个重要的信号通路，参与胚胎发育和细胞分化。它在脊椎动物的发育过程中起着关键角色，尤其是在神经系统、骨骼和肌肉的形成中。研究表明，Shh通路在胚胎发育中推动了肢体的扩张，而ZRS（极化活性调节序列区，zone of polarizing activity regulatory sequence）增强子的变化对于肺鱼鳍的演化起到了关键作用。通过实验发现，南美肺鱼的ZRS元素不再驱动鳍表达，而非洲肺鱼的鳍在Shh信号的部分恢复下显示出了鳍的复杂化。这些结果揭示了Shh信号途径和ZRS增强子变异在肺鱼鳍缩减中的重要性。

南美肺鱼科的鳍缩减

本研究深入探讨了现存肺鱼基因组的特点，揭示了影响基因组扩张的因素，为四足动物进化提供了重要线索。通过对非洲和南美肺鱼基因组的基因组组装，发现南美肺鱼这一迄今为止最大的动物基因组的扩张主要是由于高比重的重复序列和转座元件。肺鱼的基因组在过去1亿年中迅速扩张，这种现象似乎与一些转座元件仍然活跃有关。此外，尽管转座元件的丰富促进染色体重排，肺鱼染色体仍然保守地反映了原四足动物的核型。通过研究肺鱼基因组，我们不仅能够探讨动物基因组演化的重要问题，还可以深入了解肺鱼如何协助我们推断原四足动物的核型，以及揭示四足动物登上陆地过程中基因和表型演化之间的关系。这些发现有助于我们更全面地理解肺鱼在四足动物进化历程中的独特地位和重要作用。