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刘洋教授团队揭示深海潜水脊椎动物暗视觉趋同进化的分子机制
作者:          发布时间:2021-09-02     阅读:


我院刘洋教授团队最新研究结果发现:暗视觉敏感视色素——视紫红质(rhodopsin)在四支亲缘关系较远的脊椎动物类群中(企鹅、海龟、鳍脚类和鲸)独立演化出了较快的视黄醛释放速率,这可能与它们在快速潜水过程中敏锐地适应光环境的变化有关。研究成果于2021831日发表在进化生物学领域知名期刊Molecular Biology and Evolution(影响因子16.24)。

视色素(视蛋白+视黄醛)介导视觉的发生。视紫红质表达在视网膜的视杆细胞中,是唯一一类与脊椎动物暗视觉相关的视色素。已有研究表明在脊椎动物演化过程中,视紫红质的功能发生了较大变化,即其视黄醛释放速率由快变慢,这一功能转变可能与四足动物在登陆时演化出更强的弱光敏感性有关,进一步支持其夜行性起源假说(Liu et al. 2019. Proc Natl Acad Sci USA)。随后,陆生脊椎动物多次独立地演化出深海潜水行为,包括鸟类中的企鹅,爬行动物中的海龟,以及哺乳动物中的鳍脚类和鲸类。这些动物共同的特点是可以快速潜入水下150米甚至更深的弱光区域进行捕食。那么,它们如何在潜水过程中快速适应深海急剧减弱的光环境,视紫红质的功能是否发生了与之相关的适应性演化?

基于上述研究背景及科学问题,课题组通过基因序列分析、蛋白体外表达和功能测定、以及定点突变实验等多种研究方法揭示了深海潜水脊椎动物暗视觉的分子演化机制。研究结果表明,与各自的陆生近亲相比,四类深潜脊椎动物的视紫红质均具有较快的视黄醛释放速率,尤其是极端深潜的物种。因此,深潜脊椎动物视紫红质的功能发生了趋同进化,较快的视黄醛释放速率可能与它们在快速潜水过程中迅速感知光线强弱的变化有关。此外,定点突变实验进一步阐明了帝企鹅和喙鲸视紫红质快速的视黄醛释放速率由194位点的氨基酸替代导致。与此同时,定点突变结果还显示视紫红质演化过程中平行/趋同的氨基酸替代并非一定能导致蛋白功能的趋同,而功能的趋同进化很可能由完全不同的氨基酸替代引起。

研究得到中央高校基本科研业务费重点项目(GK202102006)、陕西省自然科学基础研究计划(2021JM-197)以及国家自然科学基金(31601855等项目的资助。云顶4008最新网站为第一完成单位,我刘洋教授与英国伦敦大学玛丽王后学院Stephen Rossiter教授为论文的共同通讯作者。原文链接:https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msab262/6360466?searchresult=1