《SCIENCE ADVANCES》：Cis-regulatory evolution reveals sensory trade-offs as a genetic basis for temporal niche evolution in tapirs
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为了解决动物在昼夜节律生态位（Diel activity）转变过程中感觉系统协同演化的遗传机制问题，研究人员以貘科动物为模型，开展了关于顺式调控元件（cRE）演化的研究。他们通过构建高质量基因组，发现并功能验证了FLT1基因上游一个貘特异的保守非编码元件（CNE74）的删除，能够在小鼠中导致视网膜功能减退但听觉敏感性增强的多效性效应。该结果揭示了调控元件演化可对竞争性感觉模态产生多效性影响，为理解感觉系统在生态位适应中的演化提供了新见解，并可能与人类视网膜血管疾病相关。
你是否想过，当动物的生活习惯从“昼伏夜出”变成“昼出夜伏”，它们的身体内部会发生怎样的“革命”？特别是那些赖以感知世界的眼睛、耳朵和鼻子，是会一起升级，还是会有“舍”才有“得”？哺乳动物的感官世界在数千万年的演化中不断重塑，以适应不同的活动节律。然而，驱动这种感官“再分配”的深层遗传密码，尤其是那些不改变蛋白质本身、只调控基因“开关”的DNA序列（即顺式调控元件）所扮演的角色，长期以来笼罩在迷雾之中。貘，这种外形奇特、与马和犀牛有亲缘关系的濒危动物，为破解这一谜题提供了一个绝佳的自然实验模型。它们从祖先的昼夜活动（cathemeral）状态，罕见地“逆转”回了严格的夜行性和晨昏活动性，感官配置也随之剧变：视力显著退化，出现了角膜混浊和视敏度下降，但听觉和嗅觉却变得异常敏锐。这种“此消彼长”的感官权衡现象，是自然选择精心设计的杰作吗？其背后的分子蓝图又是怎样的？为了解答这些问题，一个研究团队对两种代表性的貘——南美的低地貘（Tapirus terrestris）和东南亚的亚洲貘（Tapirus indicus）——展开了深入的基因组解码之旅，相关成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。
研究人员综合运用了PacBio HiFi（高保真）长读长测序与Hi-C（染色质构象捕获）技术，成功构建了染色体级别的高质量参考基因组。他们利用比较基因组学方法，在貘谱系中系统筛选了正选择基因、快速进化基因、经历松弛选择的基因、貘特异性氨基酸替换基因以及貘特异的保守非编码元件。针对关键候选元件，研究采用CRISPR-Cas9基因编辑技术在小鼠体内进行功能验证，并通过电生理记录（如视网膜电图ERG、听觉脑干反应ABR）、行为学测试（视觉灵敏度）以及组织形态学观察（如光学相干断层扫描OCT）等手段，全面评估了基因编辑对感觉表型的影响。分子机制层面，通过共免疫沉淀、双荧光素酶报告基因、单细胞转录组分析（整合了已发表的小鼠和人类视网膜、小鼠耳蜗数据）及结构建模等方法，深入探究了关键遗传变异的潜在功能。
基因组组装、系统发育分析与染色体演化
研究获得了连续性和准确性极高的貘基因组。系统发育分析确认了貘科与犀牛科约在5152万年前分化，而两种貘的分化时间约在1733万年前。通过祖先状态重建，研究推断奇蹄目和更广义的有蹄类共同祖先可能为昼夜活动型，而貘科共同祖先则转变为夜行性/晨昏活动型，支持了貘从昼夜活动向夜行性转变的演化路径。种群历史分析显示亚洲貘的有效种群大小持续下降且杂合度极低，凸显了其严峻的保育状况。
基因演化与貘特异性保守非编码元件
比较基因组学分析在貘的祖先支系中鉴定出大量与感官发育、昼夜节律相关的基因呈现快速进化、松弛选择或特异性变异。例如，核心生物钟基因PER1显示出正选择信号。更重要的是，研究鉴定出472个貘特异性保守非编码元件，其中55个与视觉、听觉和嗅觉发育相关基因紧密关联，提示调控元件的演化在感官适应中可能发挥关键作用。
视觉在貘中的演化
研究人员在貘中发现了61个与视觉相关的基因发生了演化改变，涉及角膜、晶状体、小梁网和视网膜结构的发育。其中，血管内皮生长因子VEGF信号通路的多组分发生变异，包括两个发生貘特异性突变的基因NRP1和ROCK2。对NRP1蛋白的分析发现其携带六个貘特异性突变，分子对接和免疫共沉淀实验证实，这些突变显著降低了NRP1与其配体VEGFA的亲和力。此外，在FLT1（VEGFR1）基因转录起始位点上游704碱基对处，发现了一个貘特异性保守非编码元件CNE74，其序列中含有一个26碱基对的貘特异性缺失，该区域与小鼠视网膜开放染色质区域重叠，并包含预测的EBF1/EBF3转录因子结合位点。
听觉在貘中的演化
研究鉴定出51个与听觉相关的基因在貘中发生演化改变，涉及内耳发育的多个方面，如毛细胞发育、离子稳态和耳蜗结构形成。值得注意的是，FLT1基因在耳蜗血管细胞中高表达，而其上游的CNE74区域同样与小鼠耳蜗发育期的开放染色质区域重叠。
嗅觉和味觉在貘中的演化
基因组分析显示，貘拥有比大多数其他植食性有蹄类更庞大的嗅觉受体基因库，尤其是I类嗅觉受体显著扩张。在味觉方面，一些苦味受体基因（如TAS2R38和TAS2R3）在貘中丢失，而与甜、鲜、苦味传导相关的离子通道基因TRPM5则显示正选择信号。这些变化可能与貘适应夜行性生活、栖息于水滨并取食多样化植物的习性相关。
CNE74功能验证揭示感觉权衡的遗传机制
为验证CNE74的功能，研究人员利用CRISPR-Cas9技术，在小鼠基因组中删除了与貘对应的26碱基对序列，构建了Tapir_CNE74基因编辑小鼠模型。表型分析显示，这些编辑小鼠出现了多效性的感觉表型改变：
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视觉方面：视网膜整体厚度和感光细胞所在的外核层厚度变薄；视网膜电图显示，在暗适应和明适应条件下，a波和b波振幅均降低，表明视网膜功能受损；视动行为测试证实其视觉灵敏度下降。
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听觉方面：听觉脑干反应测试发现，Tapir_CNE74小鼠在16 kHz（小鼠听觉敏感频率）的听觉阈值显著降低了约20 dB，意味着听觉敏感性增强。
分子机制探索发现，在编辑小鼠的视网膜和耳蜗组织中，Flt1基因的表达量均显著下调。视网膜转录组分析显示，VEGF信号通路相关基因下调，且视觉发育相关通路受到抑制；而耳蜗转录组则显示出与免疫反应相关的基因表达变化。
结论与讨论
该研究通过构建高质量的貘科基因组，首次在基因组尺度上系统揭示了与昼夜节律生态位逆转相伴的、跨多感官模态（视觉、听觉、嗅觉、味觉）的协同演化遗传图谱。研究不仅鉴定了大量发生演化的蛋白质编码基因，更着重强调并功能验证了顺式调控元件在这一过程中的关键作用。对FLT1基因上游貘特异性保守非编码元件CNE74的体内功能研究表明，单个调控元件的演化可以产生“损视增听”的多效性表型，为理解感官系统在适应新生态位过程中存在的内在权衡提供了直接的遗传证据和分子框架。这种由生态位转变驱动的感官系统重塑，很可能是通过改变关键发育调控通路（如VEGF信号）的活性来实现的。
这项研究的发现具有多重意义。在演化生物学上，它超越了以往对蛋白质编码序列的关注，揭示了顺式调控演化在塑造复杂适应性表型中的核心作用，为理解哺乳动物感官多样性的产生机制提供了新范式。在医学上，FLT1是视网膜血管疾病（如老年性黄斑变性）的重要治疗靶点，对貘中自然发生的、影响FLT1表达的调控元件的研究，为探索血管生成相关眼病的内源性调控机制提供了独特的进化视角和潜在的干预新思路。在保护生物学上，研究揭示的亚洲貘极低的遗传多样性，为其濒危状况提供了基因组层面的警示，强调了紧迫的保护需求。当然，研究也存在一定局限，如在模型小鼠中的验证不能完全等同于貘体内的真实情况，且感官表型可能是由众多遗传变异共同塑造的。未来，利用类器官等更接近本源的研究模型，以及对更多候选位点进行系统性功能筛选，将有助于更完整地描绘貘感官演化的全貌。尽管如此，这项工作无疑为在非模式及濒危物种中解析复杂性状的演化遗传基础树立了典范。
