2020年4月1日，中國(guó)著名學(xué)術(shù)期刊Cell Research在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所計(jì)算生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李海鵬研究組的研究論文“Accelerated evolution of an Lhx2 enhancer shapes mammalian social hierarchies”。文章首次發(fā)現(xiàn)了在包括哺乳類(lèi)和鳥(niǎo)類(lèi)的羊膜動(dòng)物中，決定社會(huì)階層形成極為關(guān)鍵的PAS1-Lhx2體系，揭示了在演化過(guò)程中羊膜動(dòng)物的社會(huì)性、社會(huì)階層的形成機(jī)制。
在豐富多彩的動(dòng)物世界中，各種不同的社會(huì)體系幫助各種動(dòng)物適應(yīng)了極其廣泛的生態(tài)環(huán)境。那么這些社會(huì)性動(dòng)物形成社會(huì)體系的特性是由基因決定的嗎？雖然多年來(lái)針對(duì)這一問(wèn)題的研究很多，但至今對(duì)社會(huì)階層的遺傳決定因子依然知之甚少，并主要局限于社會(huì)性昆蟲(chóng)。胎盤(pán)哺乳動(dòng)物的祖先外表與鼩相似，據(jù)推測(cè)應(yīng)為獨(dú)居生活，而現(xiàn)在胎盤(pán)哺乳動(dòng)物中則存在有豐富的社會(huì)形態(tài)。因此在胎盤(pán)哺乳動(dòng)物形成階段很可能存在由獨(dú)居到社會(huì)性生活的轉(zhuǎn)變，并且曾受到正選擇（即適應(yīng)性進(jìn)化）的作用。
此項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的檢測(cè)正選擇方法，全基因組掃描結(jié)果顯示，正選擇作用最顯著的區(qū)間位于Lhx2基因上游的非編碼區(qū)，并被命名為PAS1，長(zhǎng)度不到700bp。Lhx2基因是調(diào)控大腦發(fā)育的一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。后續(xù)的生物信息學(xué)分析、表觀遺傳學(xué)分析以及細(xì)胞水平、轉(zhuǎn)基因小鼠胚胎、轉(zhuǎn)基因雞胚等實(shí)驗(yàn)均證明，PAS1是Lhx2基因的一個(gè)增強(qiáng)子，并且不同物種來(lái)源的PAS1可以差異性調(diào)控Lhx2基因的表達(dá)。在敲除增強(qiáng)子PAS1之后，小鼠完全喪失了形成社會(huì)階層的能力，揭示PAS1是形成社會(huì)階層所必須的。PAS1敲除小鼠也是全世界首個(gè)因?yàn)樵鰪?qiáng)子缺失而導(dǎo)致無(wú)社會(huì)階層的小鼠品系。并且PAS1敲入小鼠模型表明，不同的PAS1等位基因可以決定小鼠自身所處的社會(huì)階層（圖1），并且突變PAS1可造成社會(huì)階層的反轉(zhuǎn)。因此PAS1-Lhx2體系對(duì)于羊膜動(dòng)物社會(huì)階層的形成是極為關(guān)鍵的，此項(xiàng)研究首次揭示了社會(huì)階層是如何通過(guò)演化出現(xiàn)的。
這一研究也從另一個(gè)側(cè)面表明正選擇理論、遺傳學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)相結(jié)合是非常重要的。自從摩根實(shí)驗(yàn)室在果蠅中發(fā)現(xiàn)Lhx2以來(lái)，作為一個(gè)大腦發(fā)育關(guān)鍵調(diào)控因子，一百多年以來(lái)Lhx2獲得了無(wú)數(shù)的關(guān)注。這一研究首次發(fā)現(xiàn)Lhx2具有重要的社會(huì)行為和社會(huì)階層決定功能。
李海鵬研究組的王玉亭、戴光奕、顧知立和劉國(guó)鵬為文章第一作者。該工作得到了中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所景乃禾研究員、廣州大學(xué)唐珂教授、上海營(yíng)養(yǎng)與健康研究所邵振研究員 和魏剛研究員、華東師范大學(xué)腦功能基因組學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室潘逸萱副教授、神經(jīng)生物學(xué)研究所徐春研究員、上海市動(dòng)物園劉群秀，以及其他許多研究組的合作支持。此研究得到了中國(guó)科學(xué)院B類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)“動(dòng)物復(fù)雜性狀遺傳進(jìn)化解析”以及國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重大研究計(jì)劃“微進(jìn)化過(guò)程的多基因作用機(jī)制”項(xiàng)目的資助。
附：由于胎盤(pán)哺乳動(dòng)物和非胎盤(pán)哺乳動(dòng)物的分歧發(fā)生在上億年前，具體演化過(guò)程不得而知。作者根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè)，在胎盤(pán)哺乳動(dòng)物形成階段，在PAS1出現(xiàn)一個(gè)和社會(huì)階層有關(guān)的有利突變，正選擇導(dǎo)致一個(gè)世代接一個(gè)世代，該突變的頻率持續(xù)增加，直至群體中所有的個(gè)體都帶有這個(gè)突變，正選擇過(guò)程終止。這類(lèi)正選擇（適應(yīng)性進(jìn)化）過(guò)程多次重復(fù)，從而使得今天的胎盤(pán)哺乳動(dòng)物具有復(fù)雜的社會(huì)性。針對(duì)公眾可能誤將實(shí)驗(yàn)結(jié)果過(guò)度引申到人類(lèi)社會(huì)的情況，作者特別聲明如下：依據(jù)PAS1敲除小鼠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一個(gè)直接推論是PAS1對(duì)人類(lèi)社會(huì)也是極其重要的；但因?yàn)镻AS1在人群中并不存在任何有利突變，所以這一研究不支持“人類(lèi)社會(huì)階層可以遺傳”這一推論。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41422-020-0308-7
圖1 PAS1-Lhx2 體系調(diào)控羊膜動(dòng)物社會(huì)階層形成的小鼠模型
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