物种形成是种群进化成新的和独特的物种的进化过程，生殖隔离防止种间杂交，从而保持物种的稳定。研究生殖隔离的调控机制是认识物种形成的关键。然而种间杂交经常导致杂交胚胎无活力和不能正常发育[1]，因此杂交中的遗传不亲和性导致的生殖隔离还没有得到很好的理解。热带爪蟾(Xenopus tropicalis)和非洲爪蟾(X.laevis)是研究生殖隔离机制的理想模型。X. tropicalis的卵与X. laevis的精子受精产生的胚胎(te×ls) 无法完成原肠发育并致死; 然而，以X. laevis为母本杂交产生的胚胎(le×ts) 可以获得形态正常的杂交个体(图1)[2]，美国加州大学Rebecca Heald教授于2018年在Nature发文，发现了爪蟾杂交过程中te×ls染色体3L (ch3L)和4L (ch4L)的大片段DNA缺失，并指出父源染色体缺失是杂交胚胎致死和生殖隔离形成的关键原因[3]。
图1. X. laevis与X. tropicalis杂交胚胎的不同命运
2023年4月7日，中国科学院昆明动物研究所-香港中文大学生物资源与疾病分子机理联合实验室赵晖教授团队与吕雪梅研究员团队在Science Advances在线发表了题为Modification of Maternally Defined H3K4me3 Regulates the Inviability of Interspecific Xenopus Hybrids的研究论文，作者利用这个独特的种间杂交体系，进一步研究发现了H3K4me3修饰，通过P53信号通路调控胚胎早期发育，进而决定种间隔离的新机制，提高了我们对于胚胎发育和物种进化规律的认知。
在本研究中，作者发现DNA缺失是te×ls和le×ts胚胎发育过程中的一个普遍现象，在le×ts胚胎中同样存在大量的小片段缺失。同时缺失区域基因的低表达可以得到其他两组同源染色体的表达补偿。此外，作者比较了te×ls与其母本X. tropicalis的转录差异，结果发现te×ls的Wnt信号通路显著下调，而P53信号通路显著上调(图2)。这一发现与杂交种胚胎发育中的体轴的缺失、形态发生的失败以及DNA损伤相一致。
图2. te×ls杂交物种的Wnt与P53信号通路发生改变
X. laevis是异源四倍体，包含L和S两个亚基因组。一些研究表明，表观遗传因素在调节亚基因组之间的平衡发挥着重要作用[4]。作者进一步研究发现，te×ls与其母本X. tropicalis具有极低的H3K4me3修饰，并随着囊胚期到原肠期的转化，H3K4me3修饰水平增加，与合子基因激活同步；然而X. laevis与le×ts胚胎本身具有很高的H3K4me3修饰水平，并在原肠期前逐步降低(图3A-D)。这种异常高的母源H3K4me3修饰，在之前的研究中发现，可能是X. laevis作为异源4倍体青蛙在长期进化过程中，为平衡异源基因组和基因重组丢失而建立的独特的表观遗传修饰机制[5]。作者同时也发现H3K4me3调控Mdm2基因表达，抑制P53信号通路激活；反交胚胎因缺乏H3K4me3修饰，使得基因组稳态被打破，导致DNA缺失引发P53信号通路异常激活和发育停滞。并且过表达Mdm2以抑制P53信号通路或通过提高H3K4me3修饰水平，都可以在一定程度上延长杂交胚胎发育阶段，将发育过程从原肠期延续到神经胚(图3E)。
图3. H3K4me3修饰通过P53信号通路调控生殖隔离机制
综上所述，本研究利用两种爪蟾的独特的种间杂交体系，进一步探讨了种间杂交中染色质不亲和性的机制。该研究强调了母系定义的H3K4me3修饰，通过P53信号通路调控胚胎早期发育，在生殖隔离和维持杂交种亚基因组平衡的重要性(图3F)。研究非洲爪蟾杂交种并破译物种形成的机制将加深我们对生殖隔离、物种进化和调节早期胚胎发育表观遗传修饰的理解。
广州医科大学生科院龙琪副教授和中国科学院昆明动物研究所博士生闫凯为共同第一作者，香港中文大学赵晖教授与中科院昆明动物研究所吕雪梅研究员为共同通讯作者。该项目得到科技部重点研究计划、国家自然科学基金、西部之光、广东省自然科学基金等项目的支持。
原文链接：DOI: 10.1126/sciadv.add8343
参考文献：
[1] S. Maheshwari and D. A. Barbash, "The genetics of hybrid incompatibilities," Annu Rev Genet,vol. 45, pp. 331-55, 2011, doi: 10.1146/annurev-genet-110410-132514.
[2] P. Narbonne, D. E. Simpson, and J. B. Gurdon, "Deficient induction response in a Xenopus nucleocytoplasmic hybrid,"PLoS Biol, vol. 9, no. 11, p. e1001197, Nov 2011, doi: 10.1371/journal.pbio.1001197.
[3]R. Gibeaux et al., "Paternal chromosome loss and metabolic crisis contribute to hybrid inviability in Xenopus," Nature, vol. 553, no. 7688, pp. 337-341, Jan 18 2018, doi: 10.1038/nature25188.
[4] D. M. Elurbe et al., "Regulatory remodeling in the allo-tetraploid frog Xenopus laevis,"Genome Biol, vol. 18, no. 1, p. 198, Oct 24 2017, doi: 10.1186/s13059-017-1335-7.
[5] A. M. Session et al., "Genome evolution in the allotetraploid frog Xenopus laevis,"Nature, vol. 538, no. 7625, pp. 336-343, Oct 20 2016, doi: 10.1038/nature19840.
