鳥(niǎo)類(lèi)，作為恐龍現(xiàn)存的唯一后裔，曾在第三紀(jì)大滅絕事件前后（約 6600 萬(wàn)年前）發(fā)生爆發(fā)性的物種演化，演化出眾多種類(lèi)，生存于各式生態(tài)環(huán)境中。如今，現(xiàn)生鳥(niǎo)類(lèi)超過(guò) 10500 種，是四足類(lèi)脊椎動(dòng)物中最豐富的一個(gè)類(lèi)群。雖然鳥(niǎo)類(lèi)擁有極為豐富的生物多樣性，但幾乎所有的鳥(niǎo)類(lèi)都具有許多共同的特征，比如鳥(niǎo)喙、中空質(zhì)輕的骨頭、羽毛、飛行能力等。這些鳥(niǎo)類(lèi)區(qū)別于其他物種類(lèi)群的特征如何在演化過(guò)程中形成，是演化生物學(xué)里最基礎(chǔ)的問(wèn)題之一。

研究者首先猜測(cè)鳥(niǎo)類(lèi)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(qiáng)烈的自然選擇壓力在所有鳥(niǎo)類(lèi)中很少發(fā)生變化，但在其他脊椎動(dòng)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(duì)通過(guò)比較 48 個(gè)已知鳥(niǎo)類(lèi)物種的基因組和 9 個(gè)其它類(lèi)群脊椎動(dòng)物基因組（涵蓋哺乳類(lèi)、爬行類(lèi)、兩棲類(lèi)和魚(yú)類(lèi)），發(fā)現(xiàn)大概 1% 的鳥(niǎo)類(lèi)基因組區(qū)域?qū)儆邙B(niǎo)類(lèi)基因組特異性保守序列（ASHCEs），而超過(guò) 99% 的 ASHCEs 都落在非編碼區(qū)。在比較蛋白編碼基因數(shù)目時(shí)發(fā)現(xiàn)，跟其他脊椎動(dòng)物相比，鳥(niǎo)類(lèi)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(niǎo)類(lèi)特異表型的產(chǎn)生并不是通過(guò)增加新的蛋白編碼基因來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是通過(guò)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(guò)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(diǎn)；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(diǎn)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(yàn)證了 ASHCEs 包含大量調(diào)控元件的推測(cè)。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(shí)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(shí)期呈現(xiàn)出不同程度的組蛋白修飾水平，說(shuō)明這些元件很可能是鳥(niǎo)類(lèi)特有的參與發(fā)育調(diào)控的增強(qiáng)子或調(diào)控序列。

研究團(tuán)隊(duì)為深入研究 ASHCEs 在鳥(niǎo)類(lèi)發(fā)育中的調(diào)控功能，用原位雜交技術(shù)檢測(cè) 100 個(gè) ASHCE 關(guān)聯(lián)基因在胚胎發(fā)育中的表達(dá)模式。通過(guò)比較雞、壁虎和小鼠的胚胎發(fā)育過(guò)程，研究者識(shí)出多個(gè)基因在鳥(niǎo)類(lèi)胚胎發(fā)育過(guò)程中有著特異表達(dá)模式。最有意思的是 SIM1 基因，它只在雞胚胎中表達(dá)，其表達(dá)時(shí)間和位置與飛羽的發(fā)育時(shí)間和位置相契合。飛羽是特化的羽毛，飛羽的出現(xiàn)是鳥(niǎo)類(lèi)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(gè) 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(yàn)證了 SIM1 關(guān)聯(lián) ASHCE 元件具有增強(qiáng)子功能。因此，研究者認(rèn)為 SIM1 基因以及其關(guān)聯(lián)的 ASHCE 對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)飛羽的形成有著重要的作用。而這個(gè)鳥(niǎo)類(lèi)特有性狀正是因?yàn)轼B(niǎo)類(lèi)祖先在與其他恐龍分化后，SIM1 基因附近獲得一個(gè)關(guān)聯(lián) ASHCE 元件，促使了鳥(niǎo)類(lèi)飛羽的表達(dá)，也使得鳥(niǎo)類(lèi)獲得飛翔的功能。

鳥(niǎo)類(lèi)不僅在翅膀上生長(zhǎng)出飛羽，在尾巴上也長(zhǎng)著同樣類(lèi)型的羽毛，成為雄鳥(niǎo)展示自身，吸引異性的重要裝飾。研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)恐龍化石和早期鳥(niǎo)類(lèi)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(shí)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(cè)兩個(gè)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(niǎo)類(lèi)比如雞和鴿子，由于人為的選擇，有些品系甚至在腿上也長(zhǎng)著相同的飛羽，在這些品系的腿部同樣能檢測(cè)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(niǎo)綱基因組計(jì)劃 (B10K) 負(fù)責(zé)人及本項(xiàng)研究的通訊作者張國(guó)捷研究員介紹說(shuō)，鳥(niǎo)類(lèi)采取了與其他物種不同的方式來(lái)實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)基因功能的特異性調(diào)控。為適應(yīng)飛行，鳥(niǎo)類(lèi)面臨著強(qiáng)大的選擇壓力因而只保留了很小的基因組，所以在演化過(guò)程中很少產(chǎn)生新的基因。但通過(guò)對(duì)少數(shù)的非編碼元件的修改也使得鳥(niǎo)類(lèi)獲得了許多其他物種所沒(méi)有的特異性狀。

值得一提的是，這項(xiàng)研究是一個(gè)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(gè)學(xué)科的知識(shí)，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.