新基因在藤壶适应底栖固着生活中的作用机制获揭示

近日，厦门大学教授柯才焕、冯丹青团队和副教授张原野团队等合作，在海洋生物基因组学和污损生物附着研究领域取得最新进展，相关成果发表于《自然-遗传学》。该研究分析了代表性海洋污损生物藤壶附着和壳形成过程，通过探究新基因bcs-6和bsf的起源和功能，揭示了新基因为生物适应独特生境提供关键遗传基础，为海洋防污损技术和仿生材料研发提供重要见解。

藤壶作为海洋“躺平侠”，是甲壳动物中唯一营固着生活的类群。170年前，达尔文耗费八年之久对藤壶进行观察和研究。时至今日，这一神奇生物继续启发生物学家和材料学家的研究灵感。藤壶能够分泌藤壶胶，具有在水环境下快速凝固的特征，是重要的仿生材料。同时，它附着于船舶、水产养殖网衣等设施表面，对装备造成了严重危害，是代表性污损生物。

然而，藤壶固着及其适应固着生活的外壳都是其在适应特殊生境过程中形成的独特性状，这些独特性状的遗传基础可能源于类群特有的、在演化过程中形成的新基因。这些基因是一些未知的序列，在当前的数据库中缺乏对应的序列特征和功能信息。因此，寻找这些未知序列，解析其功能是该研究的重要挑战。

该研究获得了染色体水平的纹藤壶基因组。在26个扩张基因家族中，3个与附着有关，9个与壳形成有关。Hox基因家族成员Hox3和abd-A在藤壶基因组中丢失，这可能与其为适应底栖固着生活而导致的捕食和游泳器官的衰退有关。

该研究偶然发现藤壶附着过程中的一个超高表达基因具有完整的转座子结构bcs-6。该结构属于微型末端重复反转录转座子，纹藤壶转座子结构基因高表达的原因是其在进化过程中获得了TATA盒和顺式调控元件CRE2（CACGTG），并且在基因组中发生了多次转座导致基因加倍。转座子结构基因在纹藤壶金星幼体的油滴细胞中表达，与三羧酸循环和糖酵解相关的蛋白结合，调控了附着过程中的内源能量供应。转座子结构在附着中起到重要作用。

该研究表明，转座子不仅为基因或基因调控系统贡献片段，还可以通过获得启动子和顺式调控元件整体转化为新基因并产生功能，这更新了对转座子的认识。

另外，该研究还发现一个在纹藤壶壳形成关键组织外套膜中超高表达的新基因bsf，其编码的蛋白包含7个重复基序，每个重复基序可形成4个反向平行的β折叠结构。其重组蛋白可在水环境中自组装形成丝状纤维，与几丁质和方解石紧密结合。该研究提出了藤壶壳形成的机制模型。探究适应特定环境进化的bsf基因特征，有助于开发水环境中具有特殊黏合作用的仿生材料。

该研究获得国家自然科学基金项目以及国家重点研发计划项目等的联合资助。

论文相关信息：

https://doi.org/10.1038/s41588-024-01733-7