作為距離人類遺傳最近的非人靈長類實驗動物，獼猴屬的食蟹猴和恒河猴被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和人類演化研究。然而，其遺傳信息仍存在不完整的問題，這限制了科學(xué)家們對其演化機制與生物醫(yī)學(xué)價值的深入研究。

上海交通大學(xué)毛亞飛課題組，聯(lián)合中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心/神經(jīng)科學(xué)研究所孫強課題組，在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)文，首次完成了非人靈長類動物端粒到端粒完整基因組的組裝，系統(tǒng)解析了獼猴屬與人類基因組之間的大尺度差異，并闡明了結(jié)構(gòu)變異如何通過重塑基因組三維結(jié)構(gòu)調(diào)控腦細(xì)胞類型特異性的表達(dá)。該研究還揭示了獼猴屬種間分化的遺傳特征，相關(guān)成果不僅為人類演化醫(yī)學(xué)研究提供了新的見解，也為非人靈長類動物在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要的遺傳基礎(chǔ)。

如果把基因組比作一幅巨型拼圖，那么傳統(tǒng)測序技術(shù)就像用零碎的小圖塊拼湊整幅畫面——當(dāng)遇到大面積的重復(fù)圖案時，這些“拼圖塊”就難以準(zhǔn)確定位，導(dǎo)致基因組圖譜出現(xiàn)大量空白。但這些空白區(qū)域并非“無用角落”，而是可能掌控染色體穩(wěn)定、基因調(diào)控等關(guān)鍵功能的“控制區(qū)”。

為了攻克這個難題，研究團隊找到了一位“完美模特”——食蟹猴的孤雌生殖干細(xì)胞。其基因組的兩套遺傳信息高度一致，就像復(fù)印了兩份完全相同的書稿，極大簡化了拼圖難度。團隊利用自主開發(fā)的基于特有標(biāo)記的分型迭代替換局部組裝工具，成功解決了現(xiàn)有組裝軟件未能或錯誤組裝的上百個復(fù)雜結(jié)構(gòu)區(qū)域，最終構(gòu)建食蟹猴T2T基因組。該基因組達(dá)到了百萬級的精準(zhǔn)度，成為首個非人靈長類完整參考基因組，為深入理解復(fù)雜基因組區(qū)域提供了重要材料。

基因組的空間折疊如同精心設(shè)計的折紙藝術(shù)。染色體的倒位、易位等大尺度結(jié)構(gòu)變異會重塑三維折疊模式，進(jìn)而影響基因的“開關(guān)”狀態(tài)。盡管這些變異被認(rèn)為是物種演化的驅(qū)動力，但人類與獼猴等近親靈長類間的復(fù)雜結(jié)構(gòu)變異圖譜及其功能影響，長期以來缺乏系統(tǒng)性證據(jù)。

研究發(fā)現(xiàn)，人類與獼猴之間有93處關(guān)鍵結(jié)構(gòu)差異，其中21處是首次發(fā)現(xiàn)。例如，控制大腦谷氨酸代謝的FOLH1基因，人類比獼猴多了一個“備份”。但有趣的是，原始拷貝基因在人類大腦中幾乎“靜音”——因為進(jìn)化過程中丟失了啟動它的“開關(guān)按鈕”，而另一個新產(chǎn)生的備份基因卻因為基因組“折紙”結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致了不同的細(xì)胞表達(dá)類型改變。這種差異可能影響了人類神經(jīng)系統(tǒng)的獨特功能，甚至與智力障礙等疾病相關(guān)。這一研究為結(jié)構(gòu)變異在演化過程中如何影響細(xì)胞類型特異性表達(dá)模式提供了新的見解，特別是在闡明譜系特異性表型的形成及人類疾病的發(fā)生機制解析上具有重要的科學(xué)意義。

圖1 人類和獼猴屬的固定大尺度結(jié)構(gòu)變異

食蟹猴和恒河猴這對“表兄弟”雖然同屬獼猴家族，但在外貌、行為習(xí)慣甚至疾病抵抗力上都存在明顯區(qū)別。科學(xué)家長期困惑于這些差異的遺傳根源，而這一謎題也直接影響著它們在醫(yī)學(xué)實驗中的應(yīng)用價值。近年來，基因表達(dá)的“剪輯師”——RNA剪接機制成為了破解謎題的關(guān)鍵線索。

研究團隊精確解析了獼猴屬的轉(zhuǎn)錄本剪接差異，共鑒定出110個種間差異的外顯子跳過事件。最引人注目的是PNPO基因的5號外顯子：食蟹猴的所有組織中都存在這段基因的“選擇性跳過”現(xiàn)象，而恒河猴中則未見此現(xiàn)象。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，食蟹猴的5號外顯子區(qū)域內(nèi)存在一個特殊的C→A堿基變異，這種變異可能形成了新的典型剪接受體位點，就像在電影膠片上貼了一個“此處可剪”的標(biāo)記。

為了驗證這種基因剪輯對生理功能的影響，研究人員利用生物化學(xué)和分子生物學(xué)手段提示5號外顯子缺失可能影響蛋白質(zhì)穩(wěn)定性或翻譯效率。這種微小的代謝差異可能在進(jìn)化過程中逐漸累積，最終形成了兩個物種的生理分化。該發(fā)現(xiàn)為選擇更精準(zhǔn)的動物實驗?zāi)Ｐ吞峁┝朔肿訉用娴闹笇?dǎo)，特別是在涉及維生素代謝或神經(jīng)系統(tǒng)藥物的研發(fā)中具有重要意義。

圖2 獼猴屬的RNA剪接

該研究通過研發(fā)新型計算工具實現(xiàn)非人靈長類 T2T 完整基因組組裝，系統(tǒng)闡明了獼猴屬與人類在基因組結(jié)構(gòu)層面的演化差異，不僅揭示了結(jié)構(gòu)變異通過三維基因組重構(gòu)調(diào)控和調(diào)控元件改變等影響基因表達(dá)的細(xì)胞類型特異性，還深入解析了獼猴屬種間分化的遺傳學(xué)基礎(chǔ)，為獼猴生物醫(yī)學(xué)模型奠定了堅實的遺傳基礎(chǔ)。同時，進(jìn)一步深化了靈長類演化醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)模型和譜系特異性適應(yīng)領(lǐng)域的研究。