趋同性和与谱系相关的基因组变化塑造了食糖鸟类的适应性特征

《SCIENCE》：Convergent and lineage-specific genomic changes shape adaptations in sugar-consuming birds

高糖饮食鸟类基因组比较研究揭示共享与谱系特异性适应机制，发现MLXIPL基因共进化增强糖代谢调控，并通过功能实验验证其适应性作用。

　　

编辑总结

主要以花蜜为食的鸟类需要生理上的适应以避免代谢问题。Osipova等人生成了九种鸟类的新基因组，以及这些鸟类和相关外群中消化相关组织的转录组。他们特别关注这些物种之间共有的选择信号。尽管作者发现了许多特定谱系的变化，但参与糖代谢反应的多个基因在调控和蛋白质编码方面存在更广泛的共同变化。唯一在所有以糖为食的谱系中都显示出选择信号的基因是MLXIPL，该基因编码一种转录因子，可以增加负责葡萄糖代谢和脂质生成的基因的表达。——Corinne Simonti

结构化摘要

引言

人类高糖摄入与2型糖尿病和其他代谢疾病的风险增加有关。然而，四种独立的鸟类谱系——蜂鸟、鹦鹉、蜜鸟和太阳鸟——已经进化到几乎完全依赖水果和花蜜作为食物来源，而这些食物主要由简单糖类组成。对这些高糖饮食的适应性机制的基因组基础目前知之甚少。

研究目的

我们利用比较基因组学和转录组学结合功能验证来探讨以下问题：(i) 在鸟类高糖饮食的进化过程中，主要的基因组选择目标是什么；(ii) 这些趋同适应是否基于特定谱系或重复的分子变化？为了解决这些问题，我们从五种以糖为食的物种及其四种密切相关的非以糖为食的物种中生成了九个新基因组。我们还从三种以糖为食的物种和三种非以糖为食的物种的五个代谢相关组织中生成了转录组。利用这些和现有的基因组资源，我们检测了蛋白质编码区和非编码区的选择情况，并筛查了以糖为食的物种与对照组之间的基因表达进化特征。

结果

我们发现了以糖为食的鸟类中既存在共同分子适应也存在特定谱系适应的现象。在以糖为食的物种中，我们发现了比非以糖为食的对照组更多的共同选择信号。这些正向选择信号出现在蛋白质编码基因和调控元件中，并涉及多个以糖为食的物种共有的代谢途径，包括主要的代谢途径（如糖、脂质和氨基酸代谢），以及与人类疾病（如2型糖尿病和血压失调）相关的途径。我们还发现了特定谱系的选择信号，这些信号通常是对这些相同途径的进一步细化，例如在蜜鸟hexokinase 3 (HK3)蛋白中的功能变化。蛋白质序列和调控进化的贡献在不同途径中有所不同：虽然蛋白质序列和调控进化都对糖代谢的适应有所贡献，但脂质和氨基酸代谢及血压调节的适应主要涉及调控进化。

我们发现，一种关键的糖和脂质稳态转录调节因子MLXIPL表现出明显的趋同性，因为它在所有四种以糖为食的物种中都经历了正向选择并发生了调控变化。我们将蜂鸟的MLXIPL引入人类细胞系，发现它能够增强细胞对糖的反应，这突显了其在高糖饮食中的适应性作用。

结论

我们的研究结果表明，趋同策略和特定谱系策略都在适应高糖饮食的进化中发挥了作用，并强调了蛋白质编码位点和调控元件中重复分子变化的复杂模式在塑造代谢途径中的作用。这项研究通过(i)阐明以糖为食的物种进化中的主要基因组目标；(ii)展示比较分析在确定特定基因、调控元件和负责复杂性状的途径方面的作用，为该领域做出了贡献。

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我们对四个独立的以糖为食的鸟类群体进行了比较分析，发现了重复的选择目标和特定谱系的选择目标。

我们的研究旨在了解那些已经适应高糖饮食的鸟类群体中的基因组变化，重点关注四种独立的向高糖摄入的转变（左图）。为了识别与此转变相关的重复和特定谱系的选择信号，我们在蛋白质编码和非编码基因组区域进行了比较分析，并分析了基因表达的变化（中图）。我们确定了几个在独立以糖为食的物种中反复被选择的关键途径（右图）。功能实验表明，糖和脂质代谢的主要调节因子MLXIPL的变化增强了模型系统中的糖反应，并验证了蜜鸟HK3中的特定谱系功能变化（右下图）。CNEE：保守的非外显子元件；Vmax：最大速度。

摘要

高糖饮食会导致人类代谢疾病，然而几种鸟类谱系却趋同地适应了以富含糖的花蜜或水果为食。我们通过生成九个新基因组和90个组织特异性转录组，研究了蜂鸟、鹦鹉、蜜鸟和太阳鸟中的潜在分子机制。比较分析显示，在以糖为食的鸟类中，蛋白质编码和调控序列中存在大量的重复选择，表明遗传元件被重复利用。以糖为食的物种中的序列或表达变化影响了参与血压调节以及脂质、氨基酸和碳水化合物代谢的基因，实验还显示了蜜鸟hexokinase 3的功能变化。MLXIPL是一种关键的糖和脂质稳态调节因子，在所有以糖为食的谱系中都表现出趋同的序列和调控变化；实验表明，蜂鸟MLXIPL在糖诱导下的转录活性增强，突显了其在高糖饮食中的适应性作用。