鱿鱼、章鱼、墨鱼，傻傻分不清楚？对于从事科学研究的科学家们来说，它们也是相当奇怪的生物。它们都属于头足类动物（cephalopods），其神经系统是无脊椎动物中最大的。它们拥有大大的眼睛和长长的触手，还是伪装高手。

最近，科学家们深入探索了头足类动物的基因组，以了解这些不同寻常的动物是如何形成的。在这个过程中，他们发现头足类动物的基因组和动物本身一样奇怪。伍兹霍尔海洋生物学实验室（MBL）、维也纳大学、芝加哥大学、冲绳科技学院和加州大学伯克利分校的科学家们在《Nature Communications》杂志上发表了他们的两项新成果。

共同通讯作者、伍兹霍尔海洋生物学实验室的Caroline Albertin表示：“庞大而复杂的大脑经历了几次进化。脊椎动物就是一个经典的例子。软体头足类动物可作为另一个单独的例子，说明一个庞大而复杂的神经系统是如何组合在一起的。通过了解头足类动物的基因组，我们可深入了解对建立神经系统至关重要的基因以及神经元功能。”

在本周发表的论文中，研究人员分析并比较了三种头足类动物的基因组：长鳍近海鱿鱼、夏威夷短尾鱿鱼和加州双斑章鱼。光是对这三种头足类动物的基因组进行测序，就已经是一项壮举，更不用说进行比较了。

“染色体水平的组装让我们能够更好地确定哪些基因存在，以及它们的顺序如何，因为基因组的碎片化程度比较低，”Albertin说。“因此，我们现在可以开始研究驱动这些基因表达的调控元件。”

通过比较基因组，科学家们得出结论，软体头足类动物的新特征进化主要是由三个因素介导的，包括进化早期头足类动物基因组的大规模重排；特定基因家族的扩增；以及大规模的mRNA分子编辑，特别是在神经系统中。他们认为，头足类动物的基因组“被彻底搅乱了”。

在上周发表的一项相关研究中，Schmidbaur等探索了夏威夷短尾鱿鱼中高度重排的基因组如何影响基因表达。他们发现，基因组重排引起新的相互作用，这些互作可能参与了许多新组织的形成，包括庞大而复杂的神经系统。

“对许多动物而言，基因组中的基因顺序在进化过程中得到了保留，”Albertin谈道。“不过，在头足类动物中，基因组经历了多次重排。这就产生了一个有趣的情景：基因被放到基因组中的新位置，由新的调控元件来驱动基因表达。这也许为新特征的进化创造了机会。”

头足类动物的基因组有哪些惊人之处?

这些基因组很大。长鳍近海鱿鱼的基因组是人类基因组的1.5倍，而章鱼的基因组大约是人类基因组的90%。

这些基因组杂乱无章。“脊椎动物进化过程中的关键事件包括两轮全基因组复制，”共同通讯作者、芝加哥大学的Clifton Ragsdale说。“通过这项新工作，我们现在知道软体头足类动物的进化也涉及到类似的大规模基因组变化，但这些变化不是全基因组的复制，而是巨大的基因组重排，就好像是把祖先的基因组放在了搅拌机里。”

令人惊讶的是，他们发现这三种头足类动物的基因组相对于彼此也是高度重排的。“章鱼和鱿鱼在大约3亿年前彼此分离，因此它们似乎有着完全不同的进化史，这在情理之中，”Albertin谈道。“这一令人兴奋的结果表明，头足类动物基因组的戏剧性重排产生了新的基因顺序，这对鱿鱼和章鱼的进化至关重要。”

这些基因组包含新的基因家族。研究小组在新家族中发现了数百个头足类动物特有的基因。虽然这些新的基因家族中保留了一些与其他动物相同的古老基因顺序，但这些基因的调控似乎完全不同。一些基因家族在头足类的独特特征中高度表达，包括鱿鱼的大脑。

某些基因家族异常扩增。“一个典型的例子是原钙粘蛋白（protocadherin）基因，”Albertin说。头足类动物和脊椎动物独立复制了它们的原钙粘蛋白，而蝇类和线虫则随着时间的推移而失去这个基因家族。这种复制产生了一个丰富的分子框架，可能参与了脊椎动物和头足类动物神经系统的独立进化。”

大规模的RNA编辑

海洋生物学实验室之前的研究表明，鱿鱼和章鱼表现出非常高的RNA编辑率，这使得动物可以产生多样化的蛋白质。为了跟进这一发现，Albertin等人对长鳍近海鱿鱼的26个不同组织的RNA进行了测序，并观察了不同组织的RNA编辑率。

“我们发现了一个非常强的RNA编辑信号，它可以改变蛋白质的序列，使之局限于神经系统，特别是在大脑和巨神经纤维中，”Albertin说。

这份跨越不同组织的编辑目录提供了一个资源，可以帮助人们提出后续问题。例如，RNA编辑是为了帮助动物适应温度或其他环境因素的变化吗？除了基因组序列，RNA编辑位点和速率的目录将极大地促进未来的工作。”

原文检索

Albertin, C.B., Medina-Ruiz, S., Mitros, T. et al. Genome and transcriptome mechanisms driving cephalopod evolution. Nat Commun 13, 2427 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29748-w

Schmidbaur, H., Kawaguchi, A., Clarence, T. et al. Emergence of novel cephalopod gene regulation and expression through large-scale genome reorganization. Nat Commun 13, 2172 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-29694-7