Nature | 徐洛浩/劉海平合作揭示脊椎動物再二倍化機制

在脊椎動物漫長的演化歷程中，全基因組加倍（whole-genome duplication，WGD）事件曾多次發生。當基因組發生加倍后，生物體并不會一直保持多倍體，它們通常會緩慢恢復為類似二倍體的遺傳方式，這一過程被稱為“再二倍化”（rediploidization）。在此過程中，原本的四個等位基因逐漸分化為兩對重復基因（ohnologs），并在功能上產生新的分工，被認為是脊椎動物乃至真核生物復雜性演化的重要來源。

盡管再二倍化的重要性已被廣泛認知，但由于缺乏合適的研究模型，再二倍化的早期演化機制，一直是生命科學研究領域長期懸而未決的科學難題。前期研究依賴于古老的多倍體類群，如鮭魚或鱘魚，但其多倍化事件發生年代過于久遠，難以用來解析其早期動態過程和關鍵細節。

2026年4月22日，西南大學徐洛浩教授、劉海平教授與Axel Meyer教授聯合團隊在Nature發表題為Chromosomal fusions trigger rediploidization of autopolyploid genomes的研究論文。該研究針對一類生活在青藏高原的特有魚類，展開基因組學與細胞遺傳學研究，揭示了染色體融合觸發脊椎動物基因組再二倍化的機制，為理解早期脊椎動物演化提供重要證據，填補了該領域長期以來的研究空白。

裂腹魚是生活在青藏高原周邊地區的一種特有魚類。該類群約在3000萬年前發生過一次全基因組加倍，形成同源四倍體，是目前較為年輕的同源多倍體類群之一。研究團隊系統調查了裂腹魚類 11屬的代表性物種，發現多數物種為同源四倍體，個別物種為同源六倍體，甚至還發現了一個二十倍體的極端案例。為更好地解析其多倍體遺傳規律，研究團隊對其中一種魚類拉薩裸裂尻魚，構建了家系，并進行了長讀長測序，同時開發了基因組組裝新方法，成功組裝獲得90條染色體，涵蓋四個單倍型，為研究再二倍化過程提供了精細的基因組框架。

研究團隊發現基因組中存在5組染色體融合事件，使染色體數量由 4N=100減少到4N=90。更重要的是，這些融合呈現出一種特殊模式：不對稱染色體融合，即在四條同源染色體中，只有兩條發生融合（命名為f拷貝），而另外兩條保持原狀（命名為uf拷貝）。這種結構變化帶來了一個重要后果，其中融合染色體與未融合染色體之間產生重組抑制，并逐漸形成偏好配對（preferential pairing）。研究團隊通過單倍型間的Ks值計算以及樹型統計，明確了這部分染色體的遺傳方式由“四體遺傳”向“二體遺傳”轉變。群體基因組分析進一步表明，在涉及融合的染色體上，典型的AAaa 基因型比例顯著升高，這一現象在48個野外樣本中普遍存在，說明這種偏好配對在自然群體中穩定存在。

根據序列分歧程度，研究團隊定義了三個再二倍化階段（wave1-3），揭示了一個從早期到晚期的連續演化過程。這一連續的演化梯度也體現了脊椎動物二倍化的異步性特點。進一步分析發現，再二倍化在染色體內部也存在梯度變化。融合位點附近最先發生再二倍化，并沿染色體逐漸擴展。最早的染色體融合事件約發生在3000萬年前，但染色體末端仍然保留四體遺傳特征，提示這些區域的四價配對得到了一定程度的維持。

為了進一步理解再二倍化過程中染色體的行為，研究團隊對減數分裂細胞進行了染色體鋪展，并結合端粒和著絲粒標記進行觀察。結果發現，一部分染色體呈現四體配對，而另一些則表現為二體配對。四價環是同源多倍體中最典型的配對形式。在這種結構中，四條染色體首尾相連配對，并在動粒微管牽引下呈現環形結構。除了四價體，同源四倍體還可以形成兩個隨機配對的二價體，其具體形態會受到著絲粒位置的影響。

此外，研究團隊還觀察到一種特殊的多價鏈結構，這種結構可能來源于融合染色體末端殘留的四體遺傳特征。融合染色體末端仍可與未融合染色體發生配對，從而形成類似四價，甚至六價結構。這種獨特的配對模式，是染色體融合介導再二倍化過程的重要細胞遺傳學特征。

在再二倍化過程中，原本相同的四個等位基因逐漸演化為兩對重復基因（ohnologs）。 研究發現，融合染色體上的基因丟失更頻繁，基因表達水平整體低于未融合染色體。這一現象類似于異源多倍體中常見的亞基因組顯性（subgenome dominance）。由于演化模式是否對稱常被用來區分同源多倍體和異源多倍體，這一結果提示，即使在同源多倍體中，也可能出現類似的偏向。因此，在判斷多倍體類型及其演化模式時，需要更加謹慎。

裂腹魚由于具有相對年輕的演化歷史，為揭示再二倍化機制提供了難得的觀測窗口。本研究表明，脊椎動物可以通過染色體融合驅動從“四體遺傳”向“二體遺傳”的轉變，并以融合位點為起點沿染色體逐步擴展。值得注意的是，在脊椎動物祖先經歷第一次全基因組復制（1R，同源多倍化）之后、第二次復制（2R）之前，至少發生了8次染色體融合。這一發現提示，染色體融合驅動再二倍化的模式可能是一種普遍存在的機制，并可能在約5億年前介導了脊椎動物共同祖先的再二倍化過程。

未來對裂腹魚的研究不僅有助于揭示多倍化與再二倍化等關鍵演化事件的歷史過程，也有望為現代生物學研究提供新的視角。作為研究高倍性及生物極端環境適應的重要模型，裂腹魚有望為理解高倍性基因組如何維持穩定性，以及生物如何在極端環境中實現適應等基礎科學問題提供新的啟發。

西南大學博士后解傳帥，博士研究生馬子突、馬可馨以及周朝偉教授為共同第一作者，徐洛浩教授、劉海平教授與Axel Meyer教授為共同通訊作者。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10439-1

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