昆明动物所在灵长类进化遗传领域取得重大突破
中国科学院昆明动物研究所牵头发起的灵长类基因组计划目前取得阶段性重大突破，6月2日，该计划以专刊形式在线发表8篇Science论文，其中昆明动物所主导或参与发表6篇Science和2篇Science Advances。该专刊涵盖了灵长类研究的多个热点领域，厘清了灵长类动物的系统发育关系；揭示了灵长类动物的基因组多样性特征和演化历史；解析了灵长类动物大脑、体型、骨骼、感官、食性等复杂性状演化的遗传基础；发现了寒冷促进亚洲叶猴复杂社会系统演化的遗传机制；首次发现灵长类动物杂交成种事件；构建了人类疾病基因在非人灵长类基因组中的变异图谱，并推测人类疾病基因突变的潜在功能等等。这些发现，对灵长类动物多样性保护，遗传资源的开发和利用具有重要指导意义，也为人类特殊性状的起源、发育以及疾病医学研究提供了重要遗传学材料和候选分子靶标。
Science 和Nature杂志同时对研究成果做了新闻报道
2.https://www.nature.com/articles/d41586-023-01776-6
一、大尺度系统基因组学研究揭示灵长类基因组演化历史和表型进化遗传机制（该研究为本期Science专刊旗舰论文）
灵长目是哺乳动物中种类最丰富的类群之一，包括16科82属520余种，目前依然有新物种不断被发现。灵长类动物由于其独特的系统发育位置，以及形态、行为和生理功能的多样性，成为研究人类起源和演化、复杂性状创新和重塑、疾病发生机理的天然动物模型。解析和重构灵长类祖先到现代人类进化过程中的基因组变异图谱，是理解人类进化不可或缺的环节，也是领域研究的热点。然而，到目前为止，覆盖绝大多数灵长类动物支系的高质量参考基因组的比较基因组学研究仍然存在相当大的缺口，尤其是位于灵长类系统发育树基部的类群，例如阔鼻类（Platyrrhini）、跗猴下目（Tarsiiformes）和原猴亚目（Strepsirrhini），缺乏系统性的比较研究。同时，由于人类活动的影响，灵长类物种丰富度和群体数量正遭受前所未有的严峻挑战。为了填补这一缺口和开展灵长类动物多样性保护研究，研究团队利用全新的三代长读长基因组测序技术Pacbio/Nanopore，产生大量高质量灵长类参考基因组，对现存灵长类物种开展系统性地基因组研究分析，揭示了灵长类动物基因组演化历史和适应性性状演化的遗传基础。这些灵长类遗传资源不仅有助于灵长类动物本身的保护和开发利用，也对人类表型和疾病研究具有极大的参考价值。
研究团队构建了精细的现生灵长类全基因组水平系统发育树，推演出灵长类最近共同祖先出现在距今约64.95-68.29百万年前，该区间与白垩纪-第三纪生物大灭绝事件（K/T boundary）吻合，提示灵长类早期辐射可能受白垩纪-第三纪生物大灭绝事件的影响。研究团队重构了从灵长类共同祖先到现代人类基因组的染色体结构，发现灵长类祖先和现代人类具有保守的核型特征。但在类人猿下目祖先8号染色体发现一个新的染色体融合事件，这可能对高等灵长类的创新演化具有重要意义。同时，研究团队还发现，不同灵长类祖先有不同水平的基因组重排率，在类人猿下目祖先支系发现基因组元件（例如正选择基因、加速演化的基因组非编码序列、扩张的基因家族等）变异水平在数量上整体抬升，基因的功能富集和组织特异性表达分析发现它们主要涉及大脑功能和器官大小的调控，推测这些基因组创新事件与类人猿下目特殊表型的适应性演化有关，例如脑容量、体型等。另外，研究团队通过对不同灵长类演化支系的系统生物学比较，发现数以千计的支系特异性基因组变异，这些基因组变异与灵长类不同支系的特殊功能和表型演化有关，例如灵长类动物大脑、体型、骨骼、感官、食性等复杂性状的演化等。
此外，研究团队基于基因组数据推演了灵长类动物群体历史，发现大多数灵长类动物群体数量在晚更新世发生快速锐减，暗示长时程的气候变迁对灵长类动物群体结构产生重要影响.也发现某些灵长类物种在过去的3个百万年期间群体大小持续下降，这些物种中高比率是濒危种，提示该集合中那些非濒危物种可能也是将来急需保护的对象。
以上研究以Phylogenomic analyses provide insights into primate evolution为题，作为旗舰论文在线发表于《科学》，中国科学院昆明动物研究所研究员吴东东、浙江大学教授张国捷和西北大学教授齐晓光为该文章的共同通讯作者。
图注：大尺度灵长类高精度基因组数据集的构建和比较基因组学解析
二、多学科交叉揭示亚洲叶猴社会复杂性的遗传机制
灵长类的进化，经历了6500多万年的历史。从独居的夜行性祖先，到今天高度发达的人类社会，交流与合作，群居与社会化，促进了灵长类大脑的发育及认知能力的提高，并演化出了包括重层社会在内的、多样化的社会系统。传统的社会生态模型将这种多样性解释为对环境变化的响应。然而，随着研究的深入，传统的社会生态模型遇到了很大的瓶颈，比如其很难解释为什么生活在同一环境中的同域物种却表现出不同的社会系统结构。尽管最新的研究发现——灵长类动物的社会演化受系统发育信号的影响，即遗传自一个共同祖先、并随着物种分化而逐步演化。然而，目前人们对灵长类社会系统多样性的遗传机制知之甚少。为探索这一悬而未决的热点问题，西北大学齐晓光、李保国教授团队和昆明动物所吴东东团队以亚洲叶猴为研究模型，采用多学科交叉手段，结合生态学、古气候学、古地理学、化石记录、灵长类社会学多重表型以及基因组学等方法和数据，揭示了亚洲叶猴多样化社会演化的行为学、生态学和遗传学机制。
为了解析亚洲叶猴社会系统的精细演化过程，研究团队新测序获得了7个亚洲叶猴物种的高质量参考基因组（包括旗舰文章所产生的2个长读长三代基因组数据），结合先前已发表的基因组数据，重建了全基因组水平亚洲叶猴系统发育关系。分析显示亚洲叶猴的社会系统演化存在强烈的系统发育信号，其中奇鼻猴类群呈现两步式的逐步聚合模式：从祖先一雄多雌式的单家庭群逐步演化成具有分离-聚合特征的类重层社会，再演化出长期集群生活的重层社会。基于现生亚洲叶猴物种的生态-行为学数据集，种间分析显示物种的社群规模与气候寒冷程度显著相关，即寒冷地区的物种通常形成大规模社群。与现生物种的演化模式一致，结合构建的亚洲古地质、古环境数据集的演化历史分析进一步发现两次社会聚合事件都发生在历史的寒冷时期，表明寒冷效应可能促进了社会聚合，是重层社会演化的一个关键生态因子。为进一步挖掘这种聚合背后的遗传学机制，基于比较基因组学，研究团队发现，在具有重层社会的奇鼻猴中，与寒冷相关的能量代谢和神经、激素调节相关基因受到正选择。深入分析发现这些类群演化出了更加有效的脑、神经激素调控网络，尤以多巴胺、催产素为代表。这些适应性改变，有助于在寒冷的环境中增强母猴的抚育行为，如延长照顾幼崽和哺乳期时间，从而增加婴猴成活率。这些改变可能通过间接增加个体的友好行为，加强了个体间的交流与联系等方式，最终促进亚洲叶猴从彼此独立的一雄多雌群向大型重层社会演化。该研究从行为、生态、遗传等多个维度，全面解析亚洲叶猴重层社会的起源、演化和形成机制，为灵长类社会演化提供了重要的研究范式。
以上研究以Adaptations to a cold climate promoted social evolution in Asian colobine primates为题，在线发表于《科学》。西北大学齐晓光、李保国，昆明动物所吴东东和澳大利亚西澳大学Cyril C. Grueter为该文章的共同通讯作者。
三、发现灵长类动物杂交成种事件
物种的形成方式通常是以“二叉树”的方式进行，即由一个共同祖先分化产生新的物种，新的物种继续分化又产生新的物种，如此循环下去就形成了我们现在所看到的生物多样性。然而,物种的形成方式并非我们想象的那么简单，有时候两个物种之间杂交，也可以形成第三个物种，即杂交成种，但该成种方式在哺乳动物类群里面并不多见，更别说在和我们人类亲缘关系最近的非人灵长类动物了，但吴东东、郑永唐和张国捷首次在猕猴类群中发现杂交成种事件。
猕猴属（Macaca）是旧大陆猴中分布范围最广、物种多样性最为丰富的非人灵长类之一，其中一些物种如恒河猴、食蟹猴也是最常用的实验动物。新冠疫情暴发以来，猕猴在新冠肺炎疫苗研制和评价方面发挥了不可替代的作用。尽管猕猴的重要性不言而喻，但到目前为止，人们对猕猴遗传资源的开发利用以及猕猴物种间的演化认识还比较局限。本研究利用先进的基因组测序技术组装了10个新的、高质量猕猴参考基因组，这些基因组涵盖了猕猴属各主要演化支系。通过系统基因组学分析发现猕猴属的食蟹猴种组(M.fascicularis group)是由狮尾猴种组(M.silenus group)和斯里兰卡种组(M.sinica group)杂交形成，根据时间估算，杂交成种事件大约发生在3.45-3.56百万年（图A），可能与上新世中早期马来半岛与大陆连接的路桥（如克拉地峡）被海平面反复浸没有关。有趣的是，杂交成种使得食蟹猴种组（恒河猴、食蟹猴、台湾猕猴和日本猕猴）产生了新的生殖性状，如生殖器形态、性皮特征等刚好介于两个亲本之间（图B），并且在遗传上，生殖相关的基因有明显的重组痕迹且受到达尔文正选择作用。同时，该研究还发现X染色体和基因组低重组区在抵抗与亲本的基因交流方面发挥了重要功能，有利于维持杂交后代物种的完整性。
以上研究以Comparative genomics reveals the hybrid origin of a macaque group为题，在线发表于《Science Advances》，吴东东、郑永唐和张国捷为该文章的共同通讯作者。
图注：(A)基于全基因组序列构建猕猴物种的系统发育关系和分歧时间。(B)食蟹猴种组（M.fascicularis group）和两个亲本（狮尾猴种组M.silenus group和斯里兰卡种组M. sinica group）生殖相关特征比较。
事实上，在灵长类演化历史进程中，杂交成种事件不止一次发生，吴东东研究员团队与云南大学于黎研究员团队等合作在该专刊报道了灵长类的另一个类群─仰鼻猴属（Rhinopithecus）也存在古老的杂交成种事件，即黔金丝猴（R. brelichi）是由川金丝猴（(R. roxellana）与滇金丝猴（R. bieti）和怒江金丝猴（R. strykeri）的共同祖先杂交而来。该成果以Hybrid origin of a primate, the gray snub-nosed monkey为题，在线发表于《科学》。
四、灵长类艾滋病疾病模型的发现和机制解析
缺乏直接感染HIV-1的动物模型是制约艾滋病研究的关键瓶颈之一。平顶猴是目前报道唯一可感染HIV-1的旧大陆猴，国内分布的平顶猴物种为北平顶猴。郑永唐团队和吴东东团队率先对北平顶猴进行了基因组测序，组装了北平顶猴的参考基因组。通过北平顶猴、猕猴、南平顶猴、食蟹猴和非洲绿猴蛋白编码基因比较，发现有3个与HIV-1复制密切相关的基因(TLR8、MAVS和CR2)在北平顶猴基因组中受到正选择。北平顶猴的TLR8与猕猴同源基因相比，有9个正选择作用的氨基酸突变。功能实验发现北平顶猴TLR8激活炎症反应的能力减弱，这可能是HIV-1感染北平顶猴后免疫活化低的重要原因。
另外，研究团队还对SIVmac239、HIV-1NL4-R3A、stHIV-1sv感染北平顶猴后连续时间点的外周血单核细胞进行了转录组测序。通过整合基因组和转录组数据，筛选与HIV-1复制水平低下的相关候选基因，发现在HIV-1感染北平顶猴后上调的基因中，有一部分干扰素诱导基因(ISG)在感染1-2周迅速上调，其中IFI27基因上调最显著。北平顶猴的IFI27基因与人的同源基因相比发生了大量突变。在体外过表达和敲低实验中，均发现北平顶猴IFI27可能是北平顶猴特异的HIV-1限制因子，可特异地抑制HIV-1复制，但不抑制SIV复制，这可能也是HIV-1在北平顶猴中低水平复制的重要机制。
以上研究以Genomic evidence for the nonpathogenic state in HIV-1-infected northern pig-tailed macaques为题，发表于《Molecular Biology and Evolution》。
此外，郑永唐团队和吴东东团队基于猕猴属大规模基因组数据分析，意外地发现狮尾猴与北平顶猴有最近的亲缘关系，而非传统分类上认为的南、北平顶猴的关系最近，提示狮尾猴可能与平顶猴一样可以感染HIV-1病毒。研究团队首次发现狮尾猴与平顶猴一样，其宿主限制因子TRIM5ɑ与Cyp A融合，表达的融合蛋白TRIMCyp从而不能限制HIV-1的复制。 在细胞水平的功能实验也证实狮尾猴可感染HIV-1病毒，提出狮尾猴是继南、北平顶猴之后另一种可直接感染HIV-1病毒的旧大陆猴 (Science Advances. eadd3580, 2023)。
图注：不同猕猴TRIM5基因结构以及狮尾猴外周血细胞HIVNL4-3病毒感染实验。图A表示不同猕猴TRIM5基因和主要转录本的剪接形式，和南、北平顶猴一样，狮尾猴的TRIM5基因同样存在CypA2基因的插入；图B和C表示狮尾猴（Msil）和北平顶猴（NPM）外周血PBMC细胞在感染HIVNL4-3病毒42h和72h后通过检测病毒RNA和P24蛋白所示的病毒载量。
五、灵长类支系特异性加速演化元件的解析和功能研究
基因调控元件的突变研究有助于解析人类和非人灵长类之间基因组相似性与表型分歧的遗传基础。调控元件通过与转录因子/调控蛋白相互作用，调控特定基因的时空表达模式，进而在生物的表型进化中发挥重要作用。在长时间的进化历程中，有些基因组序列具有高度的保守性，表明这些DNA元件可能具有重要的生物学功能。到目前为止，灵长类不同演化支系中这些保守DNA元件对灵长类物种表型多样性贡献度仍然不清楚。
该研究通过大规模灵长类比较基因组学解析，鉴定了灵长类关键演化节中快速演化的基因组保守元件，解析了这些快速演化的DNA保守序列对灵长类动物表型多样性演化造成的功能影响。该研究为深入了解灵长类动物演化、尤其为人类大脑独特演化发育模式研究提供了新见解。
以上研究以Lineage-specific accelerated sequences underlying primate evolution为题，发表于《Science Advances》。吴东东和张国捷为文章的共同通讯作者。
图注：整合大量高质量灵长类基因组提高了人类快速演化区域的分辨率
除以上研究论文外，灵长类基因组计划所释放的参考基因组，作为基础参考数据，在Science专刊其它研究中扮演重要角色，推动灵长类动物的基因组多样性研究（A global catalog of whole-genome diversity from 233 primate species）、人类和非人灵长类遗传耐受性变异谱构建（The landscape of tolerated genetic variation in humans and primates）以及灵长类动物不完全谱系分选动态图谱的构建和解析（Pervasive incomplete lineage sorting illuminates speciation and selection in primates）。这些研究分别从不同的视角和领域揭示了灵长类动物的演化历史和规律，它们对将来灵长类动物资源的合理开发、利用以及物种多样性保护和生命医学研究具有重要意义。
灵长类基因组计划相关研究工作得到了中国科学院、国家自然科学基金委员会、云南省科技厅、昆明动物研究所等单位的资助和支持，也是模式动物（灵长类）表型与遗传研究设施建设进展的阶段性重大成果。
文章链接1：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn6919
文章链接2：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8621
文章链接3：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add3580
文章链接4：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl4997
文章链接5：https://academic.oup.com/mbe/article/40/5/msad101/7150876
文章链接6：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adc9507
文章链接7：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7829