獼猴屬的食蟹猴（Macaca fascicularis）和恒河猴（Macaca mulatta）是最常用的非人靈長(zhǎng)類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，因其與人類具有較近的親緣關(guān)系（約 2500 萬(wàn)年前分化），而被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)和人類演化研究，尤其在人類特有性狀形成、疾病模型及藥物代謝等領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有的參考基因組仍存在大量未知序列，特別是著絲粒、片段重復(fù)（segmental duplications，SD）和核糖體 DNA（rDNA）區(qū)域，這限制了對(duì)靈長(zhǎng)類演化機(jī)制及其生物醫(yī)學(xué)價(jià)值的深入探索。
2025 年 2 月 26 日，上海交通大學(xué)毛亞飛課題組與中國(guó)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(qiáng)課題組合作，在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Integrated analysis of the complete sequence of a macaque genome 的研究論文。
該研究首次完成了非人靈長(zhǎng)類的端粒到端粒（telomere-to-telomere，T2T）完整基因組組裝，系統(tǒng)解析了獼猴屬與人類的大尺度基因組差異，并以 FOLH1 基因家族為關(guān)鍵案例，解釋結(jié)構(gòu)變異如何通過(guò)三維基因組重構(gòu)調(diào)控腦細(xì)胞類型特異性表達(dá)。除此之外，該項(xiàng)研究還揭示了獼猴屬種間分化的遺傳學(xué)特征，為非人靈長(zhǎng)類生物醫(yī)學(xué)模型奠定了關(guān)鍵遺傳基礎(chǔ)。
1、填補(bǔ)復(fù)雜區(qū)域空白
傳統(tǒng)基因組組裝技術(shù)因讀長(zhǎng)短、錯(cuò)誤率高，難以跨越復(fù)雜重復(fù)區(qū)域，導(dǎo)致基因組中存在大量缺口。這些缺口多位于基因組復(fù)雜結(jié)構(gòu)區(qū)域（著絲粒、SD 和 rDNA 等），而這些區(qū)域恰恰是基因組結(jié)構(gòu)和功能的重要部分，涉及染色體的穩(wěn)定性、基因表達(dá)調(diào)控以及染色體的重排等生物學(xué)過(guò)程。
為了解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)首先構(gòu)建了食蟹猴孤雌生殖胚胎干細(xì)胞系（MFA582-1）。孤雌生殖細(xì)胞系具有兩套染色體遺傳信息近乎純合的特性，是構(gòu)建參考基因組的理想材料。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)利用自主開發(fā)的基于特有 k-mer 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(cuò)誤組裝的上百個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)區(qū)域，最終構(gòu)建食蟹猴 T2T 基因組 T2T-MFA8v1.1。該基因組全長(zhǎng) 3.06 Gbp，QV 達(dá)到 71.27，NG50 為 162.13 Mbp，與人類基因組 T2T-CHM13v2.0 的水平相當(dāng)，成為首個(gè)非人靈長(zhǎng)類完整參考基因組，為深入理解復(fù)雜基因組區(qū)域提供了重要工具。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：
● SD 分布模式的特異性：食蟹猴的 SD 總長(zhǎng) 122.51 Mbp，較人類（227.36 Mbp）減少 46%，且更富集于亞端粒區(qū)（人類偏向近著絲粒區(qū)）。這種分布差異可能驅(qū)動(dòng)靈長(zhǎng)類基因組重塑的方向性。
● rDNA 分布：食蟹猴的 rDNA 僅定位于 10 號(hào)染色體，而在人類基因組中，rDNA 分布于 5 條近端著絲粒染色體（chr13、chr14、chr15、chr21、chr22）。這一差異為人類近端著絲粒染色體的形成及人類疾病 21-三體綜合征的演化醫(yī)學(xué)機(jī)制提供了新的解釋。
● 著絲粒結(jié)構(gòu)演化：食蟹猴著絲粒由 SF7 家族 α-衛(wèi)星主導(dǎo)，平均長(zhǎng)度較人類長(zhǎng) 3.83 倍（如 chr15 達(dá) 13.88 Mbp），并保留與靈長(zhǎng)類祖先共存的古老 SF8-SF13 序列層，揭示了獼猴屬存在新著絲粒形成的獨(dú)特演化機(jī)制。
2、人類與獼猴屬大尺度結(jié)構(gòu)變異導(dǎo)致的基因組差異
基因組的大尺度結(jié)構(gòu)變異（如倒位、易位）能夠改變?nèi)旧|(zhì)三維折疊，進(jìn)而影響基因表達(dá)模式。然而，人類與獼猴屬之間的大尺度基因組結(jié)構(gòu)變異尚未得到全面解析，且這些結(jié)構(gòu)變異在靈長(zhǎng)類演化過(guò)程中的功能效應(yīng)仍缺乏系統(tǒng)性的證據(jù)支持。
為解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了結(jié)構(gòu)變異鑒定方法，共鑒定出 93 個(gè)人類與獼猴屬之間的固定結(jié)構(gòu)變異，其中包括78 個(gè)倒位、11 個(gè)著絲粒重定位和 4 個(gè)染色體內(nèi)易位，其中 21 個(gè)結(jié)構(gòu)變異為首次報(bào)道（圖2）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在靈長(zhǎng)類腦演化過(guò)程中，超過(guò) 400 個(gè)基因可能因相關(guān)結(jié)構(gòu)變異而發(fā)生腦細(xì)胞類群的表達(dá)差異。以 FOLH1 基因?yàn)槔?，其編碼的谷氨酸羧肽酶II（GCPII）在神經(jīng)系統(tǒng)的谷氨酸調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用，基因突變與智力障礙密切相關(guān)。在獼猴屬中，F(xiàn)OLH1 基因?yàn)閱慰截悾谌祟愔?，則包含 FOLH1 和 FOLH1B（與獼猴 FOLH1 直系同源）兩個(gè)拷貝。人類的 FOLH1 基因在少突膠質(zhì)細(xì)胞中高表達(dá)，而 FOLH1B 基因在大腦不同細(xì)胞類群中幾乎不表達(dá)，與獼猴屬 FOLH1 在多個(gè)細(xì)胞類群中廣泛表達(dá)的模式存在顯著差異。為了揭示這種差異的成因，研究團(tuán)隊(duì)整合了單細(xì)胞多組學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在人類與獼猴屬的演化過(guò)程中，人類 FOLH1B 調(diào)控區(qū)的一個(gè) 1.4 kbp 片段特異性地丟失，導(dǎo)致了其在腦內(nèi)無(wú)法表達(dá)而“假基因化”。同時(shí)，人類的 FOLH1 基因由于重復(fù)事件的發(fā)生，導(dǎo)致了染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的重塑，進(jìn)而改變了其細(xì)胞類群表達(dá)模式。這一研究為結(jié)構(gòu)變異在演化過(guò)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(jī)制解析上具有重要的科學(xué)意義。
3、食蟹猴與恒河猴間從序列到表型的種間遺傳分化
食蟹猴與恒河猴雖同屬于獼猴屬，但在形態(tài)學(xué)特征、行為模式及疾病易感性等方面均存在顯著差異。然而，這些表型差異背后的遺傳基礎(chǔ)一直未得到充分闡明，從而嚴(yán)重制約了這兩個(gè)物種在生物醫(yī)學(xué)模型中的應(yīng)用潛力。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)泛基因組圖等手段，鑒定了 240 Mbp 的物種間復(fù)雜結(jié)構(gòu)差異區(qū)域，涵蓋 Mafa-AG/B、CYP2C76 及 GSTM 等基因家族。其中，恒河猴 CYP2C76（猴特異性細(xì)胞色素 P450 酶基因）呈現(xiàn) 4 種結(jié)構(gòu)單倍型，而食蟹猴僅保留 2 種，這可能反映了兩個(gè)物種之間的代謝差異。此外，研究團(tuán)隊(duì)鑒定出16.76 Mbp的食蟹猴與恒河猴遺傳分化區(qū)域（genetic differentiation regions），發(fā)現(xiàn)兩物種間的固定遺傳差異在調(diào)控元件中出現(xiàn)了 9.43 倍富集，其中包括可能影響尾巴長(zhǎng)度的 HOXD13 基因。這一發(fā)現(xiàn)與食蟹猴尾巴顯著長(zhǎng)于恒河猴的表型特征相吻合。此外，該發(fā)現(xiàn)也與鹿鼠尾巴適應(yīng)性演化的研究形成了趨同演化案例，為揭示哺乳動(dòng)物尾巴形態(tài)多樣性的遺傳機(jī)制提供了新的視角。
總體而言，該研究通過(guò)研發(fā)新型計(jì)算工具實(shí)現(xiàn)非人靈長(zhǎng)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(guò)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(jiān)實(shí)的遺傳基礎(chǔ)。該研究深化了我們對(duì)靈長(zhǎng)類演化醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)模型和譜系特異性適應(yīng)的理解。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41589-025-01849-9
合作咨詢
肖女士
021-33392297
Kelly.Xiao@imsinoexpo.com
2006-2025 上海博華國(guó)際展覽有限公司版權(quán)所有（保留一切權(quán)利）
滬ICP備05034851號(hào)-57
