淡水海綿線粒體首次發現II型內含子及其假基因化丟失證據

《Journal of Molecular Evolution》：First Report on Presence of Mitochondrial Introns in Freshwater Sponges, and Pseudogenic Evidence of Their Loss

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年12月05日 來源：Journal of Molecular Evolution 1.8

　　

在生命演化的長河中，線粒體作為細胞的"能量工廠"，其基因組中隱藏著許多演化故事的密碼。其中，線粒體內含子——這些能夠自我剪接的核糖核酸(RNA)片段，如同基因組中的"可移動元件"，在不同生物類群中呈現出令人費解的斑塊狀分布。特別是在多孔動物門(Porifera)的海綿中，I型內含子較為常見，而II型內含子卻極為罕見，這種現象背后的演化機制一直困擾著研究者。

更令人困惑的是，淡水海綿作為大約3.09億年前從海洋祖先分化出來的特殊類群，此前從未發現過任何線粒體內含子的存在記錄。這種分布格局究竟是由于內含子的多次獨立獲得，還是頻繁丟失所致？這一科學問題激發了研究人員的探索熱情。

為了解開這個謎團，研究團隊將目光投向了淡水海綿Eunapius屬。通過對采自中國南京珍珠泉公園Jingshan湖的珍稀淡水海綿Eunapius rarus進行深入研究，科學家們獲得了令人振奮的發現——在其線粒體細胞色素c氧化酶亞基1(cox1)基因中，首次鑒定出一個完整的II型內含子。這一發現不僅填補了淡水海綿線粒體內含子研究的空白，也為理解內含子演化提供了新的視角。

研究團隊采用Illumina NovaSeq和Oxford Nanopore Technologies PromethION平臺對E. rarus進行全基因組測序，通過SPAdes進行線粒體基因組組裝，MITOS2進行基因注釋。利用ORF finder鑒定內含子開放閱讀框，InterProScan分析保守結構域，MAFFT進行多序列比對，PhyML構建最大似然系統發育樹，并通過NCBI blast在全基因組范圍內搜索同源序列。

線粒體基因組特征與內含子鑒定

研究人員成功組裝出覆蓋度達4206.8X的E. rarus線粒體基因組，全長30,672 bp，包含海綿典型的14個蛋白質編碼基因、2個rRNA基因和25個tRNA基因。在cox1基因第1141位點發現一個長2,374 bp的II型內含子，其包含一個2,166 bp的完整開放閱讀框(ORF)，編碼典型的內含子編碼蛋白(IEP)，具有逆轉錄酶(RT)、成熟酶(X)和內切核酸酶(En)三個保守結構域。

系統發育分析揭示獨立獲得途徑

系統發育分析顯示，E. rarus的II型內含子與褐藻中的內含子親緣關系更近，而與其他海綿的II型內含子關系較遠。

這一結果表明該內含子是通過獨立于其他海綿的水平基因轉移事件獲得的，而非垂直遺傳。內含子結構的完整性可能歸因于近期插入事件和淡水海綿線粒體基因組較慢的演化速率。

核基因組中發現假基因化證據

令人驚訝的是，在近緣種E. fragilis的線粒體基因組中并未發現該內含子，但在其核基因組第9號染色體上找到了四個與E. rarus內含子高度同源的片段(F1-F3和R1)。這些片段包含5'RNA結構域、RT結構域和部分X結構域，但缺乏En結構域和3'RNA結構域，且存在多個終止密碼子，表明它們已成為假基因化的核線粒體片段(Numts)。

內含子演化新模式

這一發現揭示了II型內含子存在與假基因化轉位的新模式。研究表明，Eunapius屬的最后共同祖先的線粒體基因組中確實存在該II型內含子，而在E. fragilis譜系中，內含子從線粒體基因組轉移到核基因組并假基因化，最終從線粒體基因組中丟失。這種"獲得-轉移-丟失"的演化路徑為解釋海綿中線粒體內含子的斑塊狀分布提供了新機制。

本研究首次在淡水海綿中發現線粒體II型內含子，并提供了內含子從線粒體向核基因組轉移的直接證據。研究結果強調，內含子的斑塊狀分布不僅源于多次獨立獲得，更與頻繁的丟失事件密切相關。淡水海綿通過出芽、斷裂或芽球等無性繁殖方式可能促進了內含子的傳播，而線粒體基因組的保守性則為內含子的長期保存提供了條件。這項發表于《Journal of Molecular Evolution》的研究為理解可移動遺傳元件的演化動力學提供了重要案例，深化了我們對基因組可塑性和生物適應性的認識。