鳥類，作為恐龍現(xiàn)存的后裔，曾在第三紀(jì)大滅絕事件前后（約 6600 萬年前）發(fā)生爆發(fā)性的物種演化，演化出眾多種類，生存于各式生態(tài)環(huán)境中。如今，現(xiàn)生鳥類超過 10500 種，是四足類脊椎動物中*豐富的一個類群。雖然鳥類擁有極為豐富的生物多樣性，但幾乎所有的鳥類都具有許多共同的特征，比如鳥喙、中空質(zhì)輕的骨頭、羽毛、飛行能力等。這些鳥類區(qū)別于其他物種類群的特征如何在演化過程中形成，是演化生物學(xué)里*基礎(chǔ)的問題。

研究者首先猜測鳥類的特異性表型可能與其基因組特異性的保守 DNA 序列有關(guān)，即這些序列由于受到強烈的自然選擇壓力在所有鳥類中很少發(fā)生變化，但在其他脊椎動物里這些序列要么不存在，要么發(fā)生了很大的變化。研究團(tuán)隊通過比較 48 個已知鳥類物種的基因組和 9 個其它類群脊椎動物基因組（涵蓋哺乳類、爬行類、兩棲類和魚類），發(fā)現(xiàn)大概 1% 的鳥類基因組區(qū)域?qū)儆邙B類基因組特異性保守序列（ASHCEs），而超過 99% 的 ASHCEs 都落在非編碼區(qū)。在比較蛋白編碼基因數(shù)目時發(fā)現(xiàn)，跟其他脊椎動物相比，鳥類基因組極少產(chǎn)生新的蛋白編碼基因。由此研究者們推斷，鳥類特異表型的產(chǎn)生并不是通過增加新的蛋白編碼基因來實現(xiàn)，而是通過改變非編碼區(qū)的調(diào)控序列，從而影響基因的表達(dá)，即 ASHCEs 可能包含重要的基因調(diào)控功能。

通過分析研究發(fā)現(xiàn)，一半以上的 ASHCEs 含有潛在的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點；另外還有不少還可以表達(dá)形成非編碼基因。轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點和非編碼基因都是基因表達(dá)調(diào)控中的重要角色，這正驗證了 ASHCEs 包含大量調(diào)控元件的推測。此外，研究者們使用染色質(zhì)免疫共沉淀技術(shù)（ChIP-seq）獲取雞胚胎不同發(fā)育時期的三種組蛋白修飾圖譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這三種染色質(zhì)組蛋白修飾都在 ASHCEs 中顯著富集。其中一些 ASHCEs 在不同發(fā)育時期呈現(xiàn)出不同程度的組蛋白修飾水平，說明這些元件很可能是鳥類特有的參與發(fā)育調(diào)控的增強子或調(diào)控序列。

研究團(tuán)隊為深入研究 ASHCEs 在鳥類發(fā)育中的調(diào)控功能，用原位雜交技術(shù)檢測 100 個 ASHCE 關(guān)聯(lián)基因在胚胎發(fā)育中的表達(dá)模式。通過比較雞、壁虎和小鼠的胚胎發(fā)育過程，研究者識出多個基因在鳥類胚胎發(fā)育過程中有著特異表達(dá)模式。*有意思的是 SIM1 基因，它只在雞胚胎中表達(dá)，其表達(dá)時間和位置與飛羽的發(fā)育時間和位置相契合。飛羽是特化的羽毛，飛羽的出現(xiàn)是鳥類擁有了飛翔能力的關(guān)鍵因素。研究者將 SIM1 關(guān)聯(lián)的一個 ASHCE 序列結(jié)合綠色熒光蛋白轉(zhuǎn)入小鼠胚胎中，轉(zhuǎn)基因小鼠胚胎中的綠色熒光蛋白即呈現(xiàn)出與雞胚胎中 SMI1 一致的表達(dá)模式，驗證了 SIM1 關(guān)聯(lián) ASHCE 元件具有增強子功能。因此，研究者認(rèn)為 SIM1 基因以及其關(guān)聯(lián)的 ASHCE 對鳥類飛羽的形成有著重要的作用。而這個鳥類特有性狀正是因為鳥類祖先在與其他恐龍分化后，SIM1 基因附近獲得一個關(guān)聯(lián) ASHCE 元件，促使了鳥類飛羽的表達(dá)，也使得鳥類獲得飛翔的功能。

鳥類不僅在翅膀上生長出飛羽，在尾巴上也長著同樣類型的羽毛，成為雄鳥展示自身，吸引異性的重要裝飾。研究團(tuán)隊根據(jù)恐龍化石和早期鳥類祖先化石發(fā)現(xiàn)，翅膀上的飛羽和尾巴上的飛羽是在同一時期演化形成。根據(jù) SIM1 基因在翅膀和尾巴的表達(dá)模式，研究人員推測兩個部位的飛羽可能有相同的分子演化機(jī)制。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)有些馴化的鳥類比如雞和鴿子，由于人為的選擇，有些品系甚至在腿上也長著相同的飛羽，在這些品系的腿部同樣能檢測到 SIM1 基因的表達(dá), 更進(jìn)一步證明 SIM1 是控制飛羽形成的關(guān)鍵基因。

鳥綱基因組計劃 (B10K) 負(fù)責(zé)人及本項研究的通訊作者張國捷研究員介紹說，鳥類采取了與其他物種不同的方式來實現(xiàn)其生物特征的演化，即不需要借助新基因的產(chǎn)生，而是改變其中的非編碼序列來實現(xiàn)對基因功能的特異性調(diào)控。為適應(yīng)飛行，鳥類面臨著強大的選擇壓力因而只保留了很小的基因組，所以在演化過程中很少產(chǎn)生新的基因。但通過對少數(shù)的非編碼元件的修改也使得鳥類獲得了許多其他物種所沒有的特異性狀。

值得一提的是，這項研究是一個多學(xué)科綜合的成果，集合了基因組學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、演化生物學(xué)和古生物學(xué)等多個學(xué)科的知識，為系統(tǒng)了解生物復(fù)雜演化機(jī)制提供了重要的借鑒。

Functional roles of Aves class-specific cis-regulatory elements on macroevolution of bird-specific features.