2025-07-30
文章信息
英文題目：Evolutionary origin of genomic structural variations in domestic yaks
中文題目：家牦牛基因組結構變異的進化起源
發表期刊： nature communications
影響因子：15.7/Q1
發表時間：2023.09.19
涉及組學：基因組組裝、泛基因組構建、SV結構變異、選擇性清除分析、SNP&SV-GWAS。
技術路線
摘 要
牦牛在進化過程中經歷了自然選擇、人類馴化和種間基因滲入。然而，這些過程各自青睞的遺傳變異此前尚未被明確區分。研究人員構建了7種可雜交牛科物種的47個基因組圖譜，通過386個個體的基因分型，成功檢測到57,432個高分辨率結構變異（SVs）在物種內部和跨物種間的分布。通過系統發育分析，研究人員明確了家養牦牛中各類SVs的進化起源。進一步發現334個與家養牦牛SVs重疊的基因可能攜帶來自野生牦牛的選擇信號，另有686個基因存在牛源滲入。近90%的家養牦牛存在牛源滲入現象。跨越KIT基因的SV滲入觸發了白色家養牦牛的培育。研究人員驗證了篩選出的分層SVs與基因表達存在顯著關聯，這有助于解釋表型變異。研究結果表明，不同來源的SVs共同促進了家養牦牛的表型多樣性。
前 言
牦牛是牛科動物，包括野生種（Bos mutus，約1.5萬頭）和家養種（Bos grunniens，約1800萬頭）。野生牦牛在500萬年前就適應了青藏高原4000-6000米的高海拔極端環境，而家牦牛主要生活在3000-5000米區域，為人類提供資源。家牦牛在進化中經歷了自然選擇、人工馴化以及與牛類的基因滲入，成為研究遺傳進化的理想模型。
研究發現，基因組結構變異（SVs）在牦牛的高海拔適應和馴化中起關鍵作用。通過構建泛基因組和超級泛基因組，研究人員分析了28個新組裝的牦牛和亞洲牛基因組，以及19個已發表的近緣物種基因組，并在386個個體中鑒定出SVs。這些變異影響基因表達，促進缺氧適應、馴化及種間基因滲入，深化了對牦牛基因組多樣性和適應性遺傳機制的理解。
研究內容
1.野生牦牛和家養牦牛的系統發育關系和泛基因組
為解析野生牦牛與家養牦牛的基因組多樣性，研究人員構建了6頭野生牦牛、15頭家養牦牛（覆蓋其完整分布范圍）、2頭低海拔亞洲水牛、4頭高海拔塔烏牛，以及1頭高海拔塔烏-水牛-牦牛雜交種（張牧牛，ZMC)的從頭全基因組測序數據（表1）。這些數據與已報道的1頭野生牦牛、14頭牛、2頭野牛、1頭歐洲野牛和1頭印度野牛基因組數據整合后，形成了牛科動物基因組數據集（表1）。為確保分析一致性，研究人員采用統一標準流程對這47個牛科基因組進行注釋（表1）。每個組裝平均鑒定出24,368個蛋白質編碼基因（表1），通過BUSCO評估顯示平均97. 4%的蛋白質編碼注釋完成度，表明基因注釋高度完整。
在這些基因組組裝中檢測到1,048,639個高置信度SNP，并以水牛基因組為外群進行系統發育分析（圖1a)。研究人員基于每個物種選取一個代表性個體，通過8,428個單拷貝核心基因構建了物種樹（圖1b)。兩棵系統發育樹與既往研究結果高度吻合3,4，但家養牦牛未形成單系聚類（圖1a)。研究人員構建了牦牛和牛的泛基因組，并為7個牛科物種構建了超級泛基因組（圖1c）。牦牛泛基因組在n = 20時總基因集接近飽和（圖1c)。核心基因家族（存在于全部22個基因組）、近核心基因家族（存在于20-21個基因組）和可變基因家族（存在于1-19個基因組）的占比分別為50.18%、10.91%和38.91%（圖1d)，其中核心與近核心基因表現出更高的平均表達水平和更低的Ka/Ks比值（圖1e，f)。牛的泛基因組及7個牛科物種47個基因組的超級泛基因組也呈現類似趨勢。平均而言，家養牦牛基因組包含119個野生牦牛基因組中缺失的基因，其中56個通過基因滲入源自牛（圖1g)，這些基因在疾病防御、發育和繁殖功能方面具有顯著富集特征。在構建泛基因組的基因組對比較中，每個基因組均包含123至2113個其他基因組缺失的基因（圖1h)。
圖|牛科動物系統發育及野生與家養牦牛泛基因組
2.牛圖形基因組和7個物種中386個個體的結構變異（SV）的特征
為識別結構變異（SVs），研究人員基于47個基因組構建了多組裝圖譜基因組，包含3.14 Gb序列，分布在5,449,222個節點和4,889,530條連接邊上，其中非參考節點覆蓋387.0 Mb（圖2a、b）。節點分為核心（所有基因組共有，占60.8%）、近核（存在于45-46個基因組，占17.0%）和可變（存在于≤44個基因組，占22.2%）。使用gfatools檢測到293,712個可基因分型的SVs（81.7% <500 bp，99.76% <10 kb），其中40.8%為多等位型（覆蓋76 Mb），在重復DNA區域富集。33.1%的SVs位于潛在表達調控區或編碼序列（98.2%在調控區，1.8%在CDS），12.97%的多等位型SVs影響了54.4%的參考基因。對386個樣本（覆蓋深度>6×）進行分型，獲得57,432個高質量SVs（召回率0.96）。遺傳分析顯示，多數SVs呈物種特異性分布，但牦牛與肉牛存在單倍型交換。30.6%的SVs與鄰近SNP存在強連鎖不平衡（LD R2≥0.45）。
圖2|47個新生牛基因組的圖譜基因組特征及其結構變異（SVs）在這些基因組和386個個體中的分布
3.野生牦牛特有的sv與高海拔適應有關
研究人員通過計算野牦牛與低海拔牛科動物（野牛、歐洲野牛和歐洲水牛）的固定指數（FST），識別出4830個可能經歷選擇性清除的結構變異，涉及1051個基因，這些基因在缺氧反應、血管生成等HIF-1信號通路中顯著富集（圖3a、b）。其中，EPAS1基因內含子的254 bp插入片段（與LINE1元件重疊）在野生牦牛中普遍存在，但家養牦牛頻率較低（圖3c、g）。該變異降低了啟動子活性，導致野生牦牛EPAS1表達水平低于牛類（圖3e）。此外，MB基因的155 bp缺失（MB-hap-1）增強了增強子活性（圖3d、f、h），可能與牦牛缺氧適應相關。其他候選基因（如PPARA、BCL2、EGFR、IGF1R和IL6RA）也發現重要變異，其功能有待進一步研究。
圖3 | SVs促進了牦牛的高海拔適應和馴化。
4.家牦牛中SVs的來源及白牦牛的來源
為解析家牦牛結構變異（SVs）的起源，研究人員對30頭家牦牛和青藏高原牛（QTP牛）進行系統發育分析，發現26,591個參與種間基因交流的SVs（占總SV的46.3%）。其中91.5%與轉座子元件重疊，且牛源SV滲入呈現自東向西遞減趨勢。值得注意的是，11.6%的牦牛（主要分布在青藏高原北部）未攜帶牛源SV單倍型。
基因滲入分析顯示：
11,486個SV（20.0%）與1151個牦牛向QTP牛滲入的高海拔適應基因重疊；
8,557個SV（14.9%）參與牛向牦牛的基因滲入，涉及抗病性和發育相關基因；
6,547個SV（11.4%）呈現雙向滲入模式，如EPAS1基因在高低海拔種群間的互滲。
毛色性狀研究發現：
KIT基因的串聯易位等位基因（Cs6和Cs29）從彩色側牛滲入牦牛，導致白色毛色表型；
Hi-C分析揭示白牦牛的KIT基因區呈現抑制性染色質狀態（B區室），而黑牦牛為活性態（A區室）；
轉錄組和免疫組化證實白牦牛KIT表達顯著降低，與其黑色素缺失表型一致。
這些發現揭示了SVs通過改變染色質結構和基因表達，在牦牛適應性進化和表型變異中的關鍵作用。
圖4|帶有從牛體內導入的KIT基因的串聯易位SV歸功于牦牛的白色毛發顏色。
總 結
研究人員整合28個新測序基因組和已發表數據，構建了牦牛-牛泛基因組及7種牛科動物的超級泛基因組。基于386個樣本的分析揭示了重要進化變異，數據可通過牛科泛基因組數據庫（//bovpan.lzu.edu.cn）獲取。需注意的是，數據主要來自青藏高原牦牛和中國牛群，不同測序技術（如ONT和PacBio HiFi）導致重復區域覆蓋度存在差異。盡管如此，研究仍鑒定出多個與高海拔適應相關的SV，區分了家養特征和牛類基因滲入。例如，發現EPAS1、MB等新候選基因，其中EPAS1存在雙向滲入現象。此外，證實KIT基因易位SV導致牦牛毛色變異，且近90%家牦牛攜帶牛源雜交成分。這些發現對指導家牦牛育種具有重要意義。
參考文獻：Liu, X., Liu, W., Lenstra, J.A. et al. Evolutionary origin of genomic structural variations in domestic yaks. Nat Commun 14, 5617 (2023). //doi.org/10.1038/s41467-023-41220-x
