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奮進南師

生命科學學院楊光和徐士霞團隊在哺乳動物生物節律研究取得重要進展

 生物在長期的生態適應進化過程中形成了與自然環境變化相適應的生物節律(biological rhythm),包括晝夜節律(circadian rhythm)和季節節律(circannual rhythm)等。光周期是影響生物節律波動最主要的環境因素。晝夜節律參與感知并傳遞光周期變化,而季節節律則參與對天氣狀況、食物供應和捕食者活動等變化的及時預測。生物通過內源性節律接受環境信號,驅動生理和行為(如睡眠、遷移和繁殖等)發生周期性改變以與環境周期保持同步,使其能夠最大程度地生存和更好地利用環境資源。然而,生物如何獲得與其生存環境相適應的生物節律的分子進化機制尚不清楚。

褪黑素(melatonin)是由動物松果體分泌的重要激素之一,呈現出晝低夜高的節律性,并隨著一年中晝夜長短的季節變動而呈現周期性波動,在調節晝夜和季節節律過程中起著關鍵作用。芳香胺-N-乙?;D移酶(AANAT)是褪黑素合成的主要限速酶,其表達水平和活性的節律性變化決定了褪黑素合成的速率和節奏,對褪黑素的分泌起到關鍵的調節作用。然而,迄今為止,有關AANAT基因的進化及其與生物節律適應之間間的關系,知之甚少。本研究通過對256個哺乳動物AANAT基因的進化和系統發育分析,結合體外酶活性檢測實驗,發現AANAT基因出現了3次獨立的復制事件,分別出現在鯨偶蹄類的3個支系(即豬科Suidae,河馬科Hippopotamidae和有角下目Pecora)。這些支系起源于始新世中期,該地質時期出現了季節性氣候的增加,推測偶蹄類AANAT基因譜系特異性復制及其酶活的提高可能增強了對光周期反應的調節能力以適應季節性氣候變化。特別有趣的是,哺乳動物中有4個類群(即鯨類Cetaceans,海牛類Sirenians,貧齒類Xenarthrans和穿山甲類pangolins)松果體缺失且具有特殊的晝夜節律特征,相應地它們的AANAT基因分別出現失活突變或缺失,推測這有利于他們調整日?;顒拥臅円构澛?,以適應特定的生態位和生活史特征??傊?,該研究證實了在哺乳動物進化歷程中AANAT基因具有比先前認為的更加復雜有趣的進化模式和功能多樣性,并且為理解哺乳動物的季節和晝夜節律性適應驅動基因的進化提供了新視角。

圖1.鯨偶蹄目物種AANAT基因的復制和丟失事件以及酶活性

圖中★表示推測的基因復制發生的時間,X表示推測的基因丟失發生的時間

該研究成果以“Gene duplication and loss ofAANATin mammals driven by rhythmic adaptations”于2021年5月3日在線發表于進化生物學權威期刊Molecular Biology and Evolution(影響因子11.062)。南京師范大學生命科學學院博士研究生尹代清為第一作者,楊光教授和徐士霞教授為論文的共同通訊作者,該研究得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃和江蘇省生物學優勢學科等項目的資助。

論文鏈接:

https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msab125/6263835

  • 更新時間

    2021年05月17日 14:53

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  • 供稿

    生科院

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