西工大生命科学领域基础研究取得重大进展 研究成果首次以第一署名单位在Cell发表

刚刚，西工大重大科研成果在CELL上发表。

这是西北工业大学研究成果首次以第一署名单位在Cell发表。这标志着西北工业大学在生命科学领域基础研究方面再次取得了重大进展。

包括人类在内的陆生脊椎动物（也称四足动物）的祖先是由鱼类在四亿年前从海洋走向陆地进化而来的。这一过程需要在呼吸系统、运动系统、神经系统等方面进行各种生理和形态的革新，才能实现水生到陆生的转变。经过长期的古生物学和脊椎动物学的研究，已知现在还在活着的四足动物的鱼类近亲是肺鱼。

肺鱼和四足动物属于肉鳍鱼类，肉鳍鱼类和辐鳍鱼类（常见的各种鱼）一起被统称为硬骨鱼类。

然而，从硬骨鱼祖先到肉鳍鱼祖先再到四足动物，各种进化改变的遗传创新基础是什么，一直是科学界悬而未决的重大科学问题。

解析肺鱼和原始辐鳍鱼类这些“活化石”鱼类的基因组是解决这一重大问题的关键。

北京时间2021年2月5日凌晨，国际著名学术刊物Cell在线发表了西北工业大学生态环境学院联合国内外合作者完成的题目分别为“African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition”和“Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes”两篇研究论文。

第一项成果（论文“African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition”）的第一作者单位是西北工业大学，第一作者为西北工业大学王堃副教授，西北工业大学王文教授和邱强教授分别为本论文的第一通讯和共同通讯作者，西北工业大学研究生朱成龙和博士后任彦栋为本论文共同第一作者。同时，第二项成果（论文“Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray-finned fishes”）的研究工作中，西北工业大学王堃副教授和王文教授分别为共同第一作者（排名第二）和共同通讯作者。

这两项成果分别对非洲肺鱼，以及对原始辐鳍鱼类中的多鳍鱼、匙吻鲟、弓鳍鱼和鳄雀鳝的基因组进行解析，然后通过基因组学、进化生物学、鱼类学、古生物学、计算生物学和分子生物学等多学科交叉的比较分析，分别从不同角度揭示了四足动物祖先水生到陆生转变的遗传创新基础。

生物的遗传信息存储于DNA之中，一个物种DNA的总和被称为该物种的基因组。人类的基因组约为3Gb，而肺鱼的基因组大小是人类的十多倍以上，达到40多Gb。对这一超大基因组的解析一直是科学界的难题。

第一项成果发现，脊椎动物从水生到陆生的演化经历了三步重要的遗传创新过程。

硬骨鱼类祖先中已经出现空气呼吸能力和空气嗅觉的分子基础；后续硬骨鱼类进化的一个分支肉鳍鱼类中出现了更多呼吸相关基因和功能元件，使得它们的空气呼吸能力进一步加强；肉鳍鱼类进化的一个分支四足动物进化出了更多基因和功能元件从而具备了完备的空气呼吸能力，成功摆脱水的桎梏。

脊椎动物从水生到陆生的演化历程

与四肢运动相关的基因也呈现类似渐进式创新的特点。四足动物的肱骨与原始辐鳍鱼的后鳍基骨为同源器官，桡骨则是从肺鱼和四足动物祖先开始起源，五指则从四足动物才开始出现。该成果的研究发现了参与这些功能形成的一批基因和基因调控元件。此外，还发现了大脑、心脏等多个器官适应陆地生活的遗传变异基础。

该成果成功解析了非洲肺鱼的基因组，该基因组成为迄今被解析的最大基因组。研究中开发的两个基因组解析软件正在成为基因组学研究领域的通用软件，再次彰显了我国在基因组学研究领域的前沿影响力。

第二项成果围绕原始辐鳍鱼的基因组，分析四足动物祖先在更早期的演化历史。

四足动物起源过程中伴随着的两个突出的适应性功能形态演化事件：即鱼鳍演化为四肢，以及鳃式呼吸演化为肺式呼吸。该研究发现，调控四肢运动灵活性的基因功能元件在硬骨鱼类共同祖先中已经出现，这些元件在辐鳍鱼类的一个进化分支——真骨鱼里丢失掉了，但在原始辐鳍鱼（辐鳍鱼类的另一进化分支）和包含人类在内的四足动物共同祖先中保留下来，最终为四足动物的四肢演化提供了重要遗传创新基础。而肺的功能形态和遗传基础的起源也可以追溯到所有硬骨鱼的共同祖先，这一时期的‘原肺’在多鳍鱼（属于原始辐鳍鱼类）和肺鱼中继续演化成更为成熟的肺，而在我们常见的真骨鱼里演变成鱼鳔。

基于原始辐鳍鱼和肺鱼比较基因组学研究阐明的脊椎动物水生到陆生的关键遗传创新。

上述两项成果为揭示脊椎动物从水生到陆生遗传创新基础提供了全新的认知，是陆生脊椎动物（四足动物）起源进化研究的新里程牌，鉴定到的各种遗传变异为未来肺、四肢、脑、心等器官组织的起源和功能研究提供了大量新线索。

参与该项研究的是西北工业大学生态环境学院的王文和邱强教授带领的科研团队。团队主要从事组学大数据、生物适应进化机制及其仿生应用等研究，近年来取得了一系列前沿性创新成果。本次研究成果与2019年该团队在Science上发表的3篇关于反刍动物适应进化研究成果一样，对动物适应进化机制及其仿生应用研究，乃至探究人类相关器官的发育以及疾病的机理方面均有重要意义。

近年来，西北工业大学立足自身发展特色，不断夯实基础研究，积极培育新兴交叉学科。该研究团队所在的西北工业大学生态环境学院正是在这样的背景下成立和发展起来的。学院将结合学校传统学科优势，面向人类可持续发展和国家生态文明建设的重大需求，培养具有家国情怀，追求卓越、引领未来的领军人才，打造一流生态环境人才培养高地、一流研究机构和战略智库。

稿件来源：西北工业大学