近日，华大海洋与福建农林大学合作，在国际学术期刊PLoS Genetics上发表了高质量的雅浦海沟狮子鱼基因组论文。
该论文通过多组学测序与分析，详细阐明了该鱼适应高水压、低温和弱光深海环境的分子机制[1]，该成果为深渊生物学的深入研究提供了宝贵的遗传资源。
福建农林大学母尹楠副教授和深圳市华大海洋研究院副院长卞超副研究员为该论文的共同作者，福建农林大学海洋研究院院长陈新华教授和华大海洋研究院院长石琼教授为论文的共同通讯作者。
本论文主要研究内容及突破成果
深渊环境（深度在6000米以下）的特点是极高的流体静压力、低温、匮乏的食物供应以及微弱的光线条件。鱼类是生活在这种深海地带的脊椎动物，在至少五个地理上相互分开的海域中都发现了深海狮子鱼的活动踪迹。本文研究的深海狮子鱼捕获自约7000米深的雅浦海沟。
人们对脊椎动物在这种极端环境下生存的适应性分子机制知之甚少。本研究构建了高质量的雅浦海沟狮子鱼（Yap hadal snailfish，YHS）的参考基因组。
比较基因组分析的结果表明，许多与DNA修复相关的基因显示为正选择，这些基因的拷贝数在YHS基因组中发生了扩张现象，从而也说明在高水压条件下维持DNA的完整性是很困难的。
5个拷贝的含黄素单加氧酶3（fmo3）基因和YHS肠道中大量产生三甲胺（TMA）的细菌，可以提供足够的氧化三甲胺（TMAO）来改善在深海压力中蛋白质的稳定性。
此外， YHS感觉基因退化的特点与深海中稀缺的食物供应及黑暗环境相一致。有关研究结果为深海生物适应深海环境的分子机制提供了新的见解和极有价值的基因组资源，这将有助于进一步解析鱼类的深海适应性进化。
深海狮子鱼的形态特征与基因组组装结果
中国7000米级深海载人潜器“蛟龙”号在雅浦海沟6903米深的地方（图2A），捕获了两条深海狮子鱼（图2B）。它们的身体呈粉红色至白色，通过透明的皮肤和腹膜能看见较大的胃和肝脏；它们的眼睛明显比眼眶小，几乎进入头部的背侧。这些特征与其它深海狮子鱼[2]类似。
基于16S rRNA和细胞色素c氧化酶亚基I 基因（COI）的系统发育分析，证实雅浦海沟狮子鱼与马里亚纳海沟狮子鱼[2]属于同一分支。因此本研究将这两条从雅浦海沟捕获的狮子鱼暂时命名为雅浦海沟狮子鱼。
YHS组装基因组大小为731.75 Mb，包括1,271个scaffold；contig N50 和scaffold N50分别为0.75 Mb与1.26 Mb；基因组组装完整度高达96.17%。YHS基因组的GC含量为43.92%，重复序列占全基因组的53.61%；研究鉴定出2.14 Mb的非编码RNA （ncRNAs），占基因组的0.29%。终预测出24,329个蛋白编码基因，与其它二倍体硬骨鱼类基因组的基因数量相似；其中24,265个蛋白编码基因得到功能注释。
基因家族与物种进化
用22个代表性脊椎动物的基因组序列进行进化分析时，共预测到25,787个基因家族和259个共享单拷贝基因家族；YHS基因组其中144个基因家族。YHS、马里亚纳海沟狮子鱼（MHS）、塔纳卡（Tanaka）狮子鱼和斑马鱼有高度的基因家族重叠（共9,947个；图2D）。
在构建的系统发育树中，相比塔纳卡狮子鱼分支，YHS和MHS是亲缘关系更密切的姊妹种；大约在92万年前，YHS与MHS分离（图3）。
YHS组装基因组大小为731.75 Mb，包括1,271个scaffold；contig N50 和scaffold N50分别为0.75 Mb与1.26 Mb；基因组组装完整度高达96.17%。YHS基因组的GC含量为43.92%，重复序列占全基因组的53.61%；研究鉴定出2.14 Mb的非编码RNA （ncRNAs），占基因组的0.29%。终预测出24,329个蛋白编码基因，与其它二倍体硬骨鱼类基因组的基因数量相似；其中24,265个蛋白编码基因得到功能注释。
DNA损伤的修复能力
高水压会导致DNA断裂和损伤。GO富集分析发现，“DNA修复”类别中包含34个特异新基因（图4A），包括rad52、rad9a、ercc1、exo1、pms1和polk。
对于DNA修复蛋白RAD52，与其它物种的保守位点相比，两种深海狮子鱼（YHS和马里亚纳海沟狮子鱼）有着共同的两个高可信度氨基酸置换位点：68位甲硫氨酸对亮氨酸的取代和167位赖氨酸对甲硫氨酸的取代（图4B）。RAD9A，一种DNA损伤检查蛋白，也存在类似的情况（图4C）。
此外，对Pfam结构域分析显示，YHS基因组包含8个RAD51副链基因，rad51和xrcc2基因的拷贝数多于其它硬骨鱼类（图4D）。
蛋白稳定性
氧化三甲胺（TMAO）是一种有效的蛋白质稳定剂，常见于海洋鱼类的肌肉组织中。该化合物可以缓解水压对蛋白质结构稳定性的影响，甚至可将一些变性蛋白恢复至天然结构[3, 4]。
YHS肌肉中TMAO含量远高于大黄鱼和斑马鱼（图5A）。与马里亚纳海沟狮子鱼类似，在YHS基因组中发现有5个拷贝的TMAO生成基因（fmo3），其中4个是串联重复的（图5B）。
fmo3c转录本在YHS肝脏中的丰度非常高，大于所有其它fmo3基因在所测器官中的水平（图5C），从而表明FMO3c可能是YHS产生TMAO的主要氧化酶。对肠道微生物的宏基因组分析结果表明，YHS肠道中含有大量产生三甲胺（TMA）的细菌（图5D）。
因此推测，雅浦海沟狮子鱼中丰富的TMA以及扩张（五个拷贝）的fmo3基因有助于维持TMAO的高水平表达，进而提升蛋白质在深海环境下的稳定性（图5E）。
感觉系统
在YHS和马里亚纳狮子鱼（MHS）基因组中对两个拷贝的酸味受体基因（pkd2l1）进行了共线性分析（图6A左）。pkd2l1在二倍体硬骨鱼中只有一个拷贝，在四倍体金线鲃中有两个拷贝。
研究发现YHS的苦味基因（tas2r）发生了丢失（图6A右）。此外，在YHS基因组中预测到40个嗅觉受体（OR）基因，包括25个功能基因和15个假基因，这与MHS的结果相似（图6B），由此可见深海狮子鱼的嗅觉受体基因比浅水硬骨鱼[5]的要少。
这可能与深海狮子鱼特殊的饮食习惯有关，味觉和嗅觉受体基因的数量减少可能有助于对食物匮乏现状的适应。另外，视紫红质基因变异导致YHS的感受光谱变窄（图6C）以及褪黑素合成酶基因aanat存在提前终止密码子，都暗示YHS的视觉系统可能在黑暗环境下出现一定程度的退化。
总结
总之，本研究首次完成了雅浦海沟狮子鱼的基因组测序、组装与注释，并从物种进化、DNA损伤修复、蛋白稳定性以及感觉系统退化等方面综合解析深海狮子鱼对深海环境适应的分子机制，为深渊生物学研究提供宝贵的遗传资源。