2020年4月1日，中國著名學(xué)術(shù)期刊Cell Research在線發(fā)表了中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所計算生物學(xué)重點(diǎn)實驗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)了在包括哺乳類和鳥類的羊膜動物中，決定社會階層形成極為關(guān)鍵的PAS1-Lhx2體系，揭示了在演化過程中羊膜動物的社會性、社會階層的形成機(jī)制。
在豐富多彩的動物世界中，各種不同的社會體系幫助各種動物適應(yīng)了極其廣泛的生態(tài)環(huán)境。那么這些社會性動物形成社會體系的特性是由基因決定的嗎？雖然多年來針對這一問題的研究很多，但至今對社會階層的遺傳決定因子依然知之甚少，并主要局限于社會性昆蟲。胎盤哺乳動物的祖先外表與鼩相似，據(jù)推測應(yīng)為獨(dú)居生活，而現(xiàn)在胎盤哺乳動物中則存在有豐富的社會形態(tài)。因此在胎盤哺乳動物形成階段很可能存在由獨(dú)居到社會性生活的轉(zhuǎn)變，并且曾受到正選擇（即適應(yīng)性進(jìn)化）的作用。
此項研究開發(fā)了一個新的檢測正選擇方法，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，長度不到700bp。Lhx2基因是調(diào)控大腦發(fā)育的一個關(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)基因雞胚等實驗均證明，PAS1是Lhx2基因的一個增強(qiáng)子，并且不同物種來源的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階層的能力，揭示PAS1是形成社會階層所必須的。PAS1敲除小鼠也是全世界首個因為增強(qiáng)子缺失而導(dǎo)致無社會階層的小鼠品系。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階層（圖1），并且突變PAS1可造成社會階層的反轉(zhuǎn)。因此PAS1-Lhx2體系對于羊膜動物社會階層的形成是極為關(guān)鍵的，此項研究首次揭示了社會階層是如何通過演化出現(xiàn)的。
這一研究也從另一個側(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。自從摩根實驗室在果蠅中發(fā)現(xiàn)Lhx2以來，作為一個大腦發(fā)育關(guān)鍵調(diào)控因子，一百多年以來Lhx2獲得了無數(shù)的關(guān)注。這一研究首次發(fā)現(xiàn)Lhx2具有重要的社會行為和社會階層決定功能。
李海鵬研究組的王玉亭、戴光奕、顧知立和劉國鵬為文章第一作者。該工作得到了中國科學(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)實驗室潘逸萱副教授、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。此研究得到了中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項“動物復(fù)雜性狀遺傳進(jìn)化解析”以及國家自然科學(xué)基金委員會重大研究計劃“微進(jìn)化過程的多基因作用機(jī)制”項目的資助。
附：由于胎盤哺乳動物和非胎盤哺乳動物的分歧發(fā)生在上億年前，具體演化過程不得而知。作者根據(jù)實驗結(jié)果推測，在胎盤哺乳動物形成階段，在PAS1出現(xiàn)一個和社會階層有關(guān)的有利突變，正選擇導(dǎo)致一個世代接一個世代，該突變的頻率持續(xù)增加，直至群體中所有的個體都帶有這個突變，正選擇過程終止。這類正選擇（適應(yīng)性進(jìn)化）過程多次重復(fù)，從而使得今天的胎盤哺乳動物具有復(fù)雜的社會性。針對公眾可能誤將實驗結(jié)果過度引申到人類社會的情況，作者特別聲明如下：依據(jù)PAS1敲除小鼠的實驗數(shù)據(jù)，一個直接推論是PAS1對人類社會也是極其重要的；但因為PAS1在人群中并不存在任何有利突變，所以這一研究不支持“人類社會階層可以遺傳”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)控羊膜動物社會階層形成的小鼠模型
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