翼手目(蝙蝠)適應性進化分子機制的研究進展

梁運鵬，于黎,2

1.云南大學，云南省生物資源保護與利用重點實驗室，昆明 650091；

2.云南大學，云南省高校動物遺傳多樣性與進化重點實驗室，昆明 650091

生物所生存的環(huán)境對生物自身的形態(tài)和生理功能具有重要的選擇作用，為了適應多變的環(huán)境，生物體不斷進行適應性進化。而探討多變的環(huán)境與生物自身遺傳機制的變化一直是科學界研究的熱點之一[1～8]。

翼手目(Chiroptera；俗稱蝙蝠)是哺乳動物第二大目，包含哺乳動物1/4的物種，分為18個科、202個屬、1116個種，遍布除兩極以外的全世界各個地方，尤其在熱帶地區(qū)廣泛分布[9,10]。新的蝙蝠物種陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，如2007年和2009年，中國學者發(fā)現(xiàn)并命名的北京寬耳蝠(Barbarstella beijinggensis)和楔鞍菊頭蝠(Rhinolophus xinanzhongguoensis)[11,12]。翼手目可分為擁有發(fā)達視覺系統(tǒng)的大蝙蝠亞目(Megachiroptera)和依靠回聲定位分辨食物的小蝙蝠亞目(Microchiroptera)。近些年來，越來越多的分子研究支持將小蝙蝠亞目中的菊頭蝠總科和大蝙蝠亞目中的狐蝠科統(tǒng)稱為 Yinpterochiroptera，而其他的小蝙蝠亞目物種稱為Yangochiroptera[13]。

作為唯一真正會飛的哺乳動物，蝙蝠不僅得益于特化的翼手，而且與高效的能量代謝密不可分；精確的回聲定位系統(tǒng)或發(fā)達的視覺使得這一類群成功地利用了生態(tài)壓力較小的黑暗夜空；而冬眠、特有的受精延遲等現(xiàn)象則大大增加了個體和后代的存活率；食性的多樣化不僅豐富了物種多樣性，而且使得這一類群在生態(tài)系統(tǒng)中對果實種子的傳播、有害昆蟲的捕食等方面具有不可替代的作用；體內(nèi)多種烈性病毒宿主源的確定更加吸引了科研人員對這一類群的關注。這些生物學特征使翼手目成為研究生物對環(huán)境適應性進化的熱點模型之一。

最初對翼手目的研究，主要針對形態(tài)學、行為學、生態(tài)學、聲學和生理生化等方面。隨著分子生物學的快速發(fā)展，從分子水平上研究翼手目適應性進化成為可能。近年來，從基因組水平上開展翼手目適應性進化分子機制的研究不斷涌現(xiàn)，成為進化生物學中的研究熱點。本文對翼手目在飛行能力、回聲定位與聽覺系統(tǒng)、食性、冬眠、免疫防御等方面表現(xiàn)出顯著而獨特適應性進化的分子機制的研究進展進行綜述，以期對今后進一步深入開展此類群的適應性進化分子機制提供指導意義。

1 飛行能力適應性進化的分子機制

充足的能量供應是所有生物維持生命活動最重要的環(huán)節(jié)之一。研究顯示，飛行生物所需要的能量是其他奔跑物種所需能量的3～15倍[14,15]。蝙蝠的飛行能力是其有別于其他哺乳動物最明顯的特征之一，伴隨著運動方式的劇烈變化，能量的高效供應在蝙蝠飛行能力適應性進化中占有重要的地位。線粒體作為真核細胞中最主要的供能細胞器，承載著生物個體95%的能量供應[16]。

Shen等[17]對網(wǎng)上已有的 60個物種的線粒體全基因組和10個哺乳動物的基因組進行了比較分析，結(jié)果顯示在翼手目代表物種(小蝙蝠亞目：瑩鼠耳蝠(Myotis lucifugus)和大蝙蝠亞目：馬來大狐蝠(Pteropusv ampyrus))的基因組中，與氧化呼吸鏈相關的 23.08%的線粒體基因和 4.9%的核基因受到了正選擇壓力，高于之前全基因組掃描研究預測中不會超過 2%的基因受到正選擇的比例[18,19]。此外，Shen等[17]進一步選取了 7146個編碼線粒體基因但不參與氧化呼吸過程或者其他與氧化呼吸無關的核基因作為背景對照基因進行分析，結(jié)果顯示只有72個基因(1.005%)受到了正選擇壓力，遠遠低于之前檢測到的與氧化呼吸鏈相關的核基因所受正選擇壓力的比例(4.9%)，再次提供了強烈的證據(jù)表明能量代謝相關基因在翼手目的飛行能力適應性進化中扮演著重要的角色。

高效的能量代謝為生物提供充足能量的同時，所產(chǎn)生的大量副產(chǎn)物(例如氧化自由基ROS等)嚴重影響著生物自身的生存。對于哺乳動物中具有飛行能力的蝙蝠而言，是否機體內(nèi)形成了相應的機制來應對高效能量代謝的副產(chǎn)物對自身所產(chǎn)生的不利影響？2013年，Zhang等[20]對小蝙蝠亞目中的大衛(wèi)鼠耳蝠(Myotis davidii)和大蝙蝠亞目中的中央狐蝠(Pteropus alecto)全基因組序列進行測定并分析，結(jié)果顯示在DNA損傷修復機制通路中，多個基因包括血管擴張性共濟失調(diào)突變基因(ATM)、DNA-蛋白激酶C基因(DNA-PKc)、DNA修復蛋白50基因(RAD50)、X-射線損傷修復基因(KU80)和小鼠雙微體結(jié)合蛋白基因(MDM2)在蝙蝠的祖先枝上檢測到正選擇作用。此外，該研究還進一步對13個哺乳動物(包含2個小蝙蝠——瑩鼠耳蝠、大衛(wèi)鼠耳蝠和2個大蝙蝠——中央狐蝠、馬來大狐蝠)的MDM2分析顯示：與核輸出信號密切相關的191號氨基酸位點在蝙蝠物種中發(fā)生了亮氨酸到苯丙氨酸的變異。之前的研究結(jié)果顯示，MDM和TP53 (p53)通過協(xié)同作用共同控制 DNA損傷修復中亞細胞的精確定位[21,22]。對翼手目的腫瘤蛋白p53基因(TP53)的研究顯示：在小蝙蝠中與核定位信號密切相關的319號氨基酸位點發(fā)生了賴氨酸到脯氨酸的變異，而在大蝙蝠中除了319號變異位點外，還檢測到322號氨基酸位點賴氨酸到甲硫氨酸的變異。以上的研究結(jié)果提示，蝙蝠可能通過損傷修復通路的適應性進化來應對體內(nèi)大量的自由基等有害物質(zhì)對生物自身尤其是遺傳物質(zhì)所造成的傷害。

2 回聲定位與聽覺系統(tǒng)適應性進化的分子機制

蝙蝠生活在黑暗夜空中不僅依靠獨特的飛行能力，而且與自身的回聲定位和聽覺系統(tǒng)有著密切的關系。精密的回聲定位能力有助于蝙蝠避開障礙物，躲避天敵，捕食害蟲[23]。

哺乳動物的聽力極為靈敏，得益于耳蝸外毛細胞的放大器作用，而生物放大器中的電動蛋白對聲音的放大起著重要作用[24]。2000年，電動蛋白基因prestin被克隆[24]，首次揭開了聽覺系統(tǒng)的分子水平研究。Prestin是陰離子運輸?shù)鞍譙LC26超家族中的一員，編碼一個外毛細胞的跨膜機動蛋白，可以將傳入耳內(nèi)的電壓瞬間放大數(shù)百倍。2002年，Liberman等[25]通過prestin基因敲除技術顯示正常小鼠的聽覺能力比實驗小鼠更加敏感和精細，并且分子進化研究顯示，該基因在哺乳動物中表現(xiàn)為強烈的純凈化選擇壓力[26,27]，表明prestin在聽覺通路中具有重要的生理作用[28,29]。2008年，Li等[30]對22個哺乳動物的prestin基因進行研究，首次發(fā)現(xiàn)具有回聲定位的蝙蝠類群聚為一枝，推測該基因在蝙蝠類群中發(fā)生了平行進化；并且在具有恒頻回聲定位類型的菊頭蝠(Rhinolophus thomasi)和馬鐵菊頭蝠(Rhinolophus ferrumequinum)的祖先枝上檢測到了正選擇作用，這可能與恒頻蝙蝠發(fā)出的叫聲頻率更高、而個體自身可以利用多普勒頻移補償機制更加準確地在密集環(huán)境中識別目標物有關。這些結(jié)果與以往研究中提出的哺乳動物prestin均受到了強烈的純凈化選擇壓力[26,27]的觀點不一致，提示prestin在翼手目中受到了不同的進化驅(qū)動力[29]。隨后，Li等[31]和 Liu等[32]通過增加同樣具有回聲定位的鯨目中的齒鯨——寬吻海豚(Tursiops truncatus)物種后，發(fā)現(xiàn)具有回聲定位的齒鯨和蝙蝠類群聚為一簇，發(fā)生了趨同進化，提示prestin在具有回聲定位的哺乳動物的進化中經(jīng)歷了相似的選擇壓力。在單基因研究中，更多的與聽覺通路相關的基因在具有回聲定位的蝙蝠和鯨類物種中發(fā)生了趨同進化，如耳蝸跨膜蛋白基因(Tmc1)、常染色體隱形失聰癥基因(Pjvk)、鉀離子通道蛋白基因(Kcnq4)、鈣粘蛋白23基因(Cdh23)、鈣粘附因子蛋白15基因(Pchh15)和耳畸蛋白基因(Otof)等[6,33～37]。

隨著基因組數(shù)據(jù)的海量出現(xiàn)，科研人員能夠從更完整、更系統(tǒng)的角度揭示翼手目回聲定位與聽覺系統(tǒng)適應性進化的分子機制。2013年，Zhang等[20]通過對回聲定位蝙蝠(大衛(wèi)鼠耳蝠)和非回聲定位的蝙蝠(中央狐蝠)等9個哺乳動物的基因組研究顯示：與聽覺相關的基因，包括無翅型MMTV整合位點家族成員 8A蛋白基因(Wnt8a)、FBJ小鼠骨髓瘤致癌蛋白基因(Fos)、DAZ家族互作蛋白1基因(DZIP1)、金屬肽酶跨膜基因(MMP14)和耳蝸跨膜蛋白基因(TMC1)等在回聲定位的蝙蝠物種中發(fā)生了正選擇作用，其中Wnt8a和Fos為首次報道。隨后，Seim等[35]通過對48個脊椎動物的基因組進行比較分析，結(jié)果顯示在回聲定位的蝙蝠和鯨類中都檢測到溶質(zhì)載體蛋白家族45A2成員基因(SLC45A2)和G-蛋白信號調(diào)節(jié)結(jié)合蛋白基因(RGS7BP)發(fā)生了特異的氨基酸變異：SLC45A2基因中與胞外跨膜蛋白相關的334號氨基酸發(fā)生了谷酰胺到精氨酸的變異；RGS7BP基因中的 114號氨基酸位點發(fā)生了天冬氨酸到甘氨酸的變異。而以往對這兩個基因的研究顯示，SLC45A2與內(nèi)耳中吸收聲納的黑色素形成有關，RGS7BP則與內(nèi)耳中前庭神經(jīng)節(jié)細胞形成有密切關系，對個體方向的定位有重要作用。從以上結(jié)果可以看出，對基因組信息的分析，可以挖掘到更多新的可能與哺乳動物回聲定位和聽覺系統(tǒng)適應性進化相關的基因。在最近的一項研究中，Parker等[34]對22個獨立起源的具有回聲定位的哺乳動物全基因組(包含新測序的4個蝙蝠基因組：黃毛果蝠(Eidolon helvum)、紅斑裸背蝠(Pteronotus parnellii)、印度假吸血蝠(Megaderma lyra)、馬鐵菊頭蝠(R.ferrumequinum)中的2326個直系同源基因進行分析，結(jié)果顯示大約10%的基因在所有具有回聲定位的物種中發(fā)生了趨同進化現(xiàn)象，并且多數(shù)基因與回聲定位和聽覺系統(tǒng)相關，這一結(jié)果揭示了趨同進化在具有回聲定位的物種中是普遍存在的，并非局限于少數(shù)基因中，進一步顯示了自然選擇在回聲定位物種中的重要作用。

3 食性適應性進化的分子機制

翼手目大量物種的適應性輻射使蝙蝠的食性也發(fā)生了巨大的變化，表現(xiàn)出對果實、花蜜、昆蟲、血液等多種不同食物的適應性。對生物而言，味覺感受器(酸、甜、苦、鮮、咸)作為基本的功能單位之一，對生物分辨攝取營養(yǎng)物質(zhì)和抵制有害物質(zhì)具有重要作用[38,40]。而翼手目物種中所具有的食性多樣化，極有可能與味覺系統(tǒng)發(fā)生了不同程度的適應性分化緊密相關。

味覺感受器中的酸味和咸味受體主要受化學離子門控通道轉(zhuǎn)導，而其余3個味覺受體(苦味、甜味、鮮味)則是G-蛋白偶聯(lián)受體蛋白控制(GPCRs)[29,40,41]。2009年，Zhou等[42]通過對小蝙蝠亞目中的食蟲蝙蝠——瑩鼠耳蝠的苦味受體基因(Bitter taste receptor,T2R)進行研究，共得到了26個T2R基因，其中9個基因發(fā)生了假基因化。有趣的是，基因進化分析顯示瑩鼠耳蝠中的 3個功能基因單獨聚為一簇，并且在這一簇中檢測到了強烈的正選擇作用。食蟲蝙蝠主要以各種昆蟲為食，而昆蟲通常以化學防御來抵御捕食者，由此大大增加了食蟲蝙蝠遭遇未知化學物質(zhì)的機會，作者推測食蟲蝙蝠也發(fā)生了相應的適應性進化來應對自身所遇到的特殊物種。

甜味/鮮味感受器受Tas1r1、Tas1r2和Tas1r3基因協(xié)同調(diào)節(jié)，其中甜味感受器受Tas1r2和Tas1r3調(diào)節(jié)，而鮮味受體則由Tas1r1和Tas1r3共同調(diào)節(jié)。Zhao等[43]通過對 42個蝙蝠物種的 Tas1r2研究發(fā)現(xiàn)，該基因在食蟲蝙蝠和食果蝙蝠中均受到了純凈化選擇作用，但是在吸血蝙蝠中卻發(fā)生了假基因化，并且在吸血蝠的祖先枝檢測到選擇壓力放松的信號。隨后，他們對Tas1r1的研究顯示[39]，Tas1r1基因在31個蝙蝠物種中均發(fā)生了丟失或假基因化現(xiàn)象，推測在不同食性的翼手目物種中可能形成了感受器官補償機制的變化。以上研究顯示，吸血蝠丟失了兩個味覺感受器(甜味和鮮味)，是目前為止除了在海洋哺乳動物[7]中發(fā)現(xiàn)大量的味覺感受器丟失后的第二個哺乳動物同時丟失兩個味覺感受器的物種，推測可能與吸血蝠特殊的食性相關。因為吸血蝙蝠是專一性的以血液為食的物種，它們更多依靠紅外線和嗅覺來搜尋食物，因此在長時間的進化中，味覺系統(tǒng)可能發(fā)生了不同于其他蝙蝠類群的巨大變化[44～47]。

除了味覺系統(tǒng)，蝙蝠在食物的攝取和消化方面也表現(xiàn)出了適應性進化。嗅覺作為生物體攝取外界食物的第一道防線，對生物快速高效的分辨食物具有重要的作用。作為哺乳動物中最大的超基因家族—嗅覺受體超基因家族(Olfactory receptor superfamily,ORs)，分為13個獨立的基因簇[48]。2014年，Hayden等[49]對27個蝙蝠物種共5517個OR基因進行研究，在小蝙蝠亞目(Yangochiroptera)的葉口蝠科(Phyllostomidae)中對OR基因的3組數(shù)據(jù)集(所有OR基因、有功能OR基因、假基因化OR基因)進行的功能聚類分析中顯示食果蝙蝠和非食果蝙蝠發(fā)生了明顯的分化，并且 3個數(shù)據(jù)集的聚類貢獻結(jié)果大體一致，其中 OR1/3/7和 OR2/13基因簇對食果蝙蝠更為重要，而OR5/8/9基因簇對非食果蝙蝠具有重要作用。

進入生物體內(nèi)的不同食物是否在吸收方面也存在著相應的適應性差異？葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白4(GLUT4)是由 Slc2a 基因編碼，主要分布于脂肪細胞和骨骼肌細胞，在葡萄糖的吸收轉(zhuǎn)運方面起著重要作用。Shen等[50]通過對 16個蝙蝠，其中包括 7個食果蝙蝠(3個新大陸果蝠和4個舊大陸果蝠)和9個食蟲蝙蝠的研究顯示：舊大陸果蝠的祖先枝上存在11個非同義替換位點，并且這些氨基酸突變位點集中于跨膜蛋白、胞外環(huán)狀區(qū)域或者胞內(nèi)區(qū)域，提示該基因可能與舊大陸果蝠的果實中糖類攝取緊密相關。但是，與舊大陸果蝠不同，在食蟲蝙蝠中卻檢測到該基因受到強烈的純凈化選擇作用，推測該基因與物種體內(nèi)葡萄糖的調(diào)節(jié)有密切關系。在同為食果蝙蝠的新大陸果蝠中也同樣檢測到純凈化選擇作用；之前對新大陸果蝠行為學和生理學的研究顯示這一類群的果蝠通過高強度的活動行為來調(diào)節(jié)體內(nèi)糖類物質(zhì)的平衡[51]，與分子水平的研究結(jié)果一致。另外，酪氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(TAT)作為分解氨基酸提供能量的重要分解酶之一，是否在以大量碳水化合物為能量供應源的食果蝙蝠中發(fā)生了變化？Shen等[52]對14個食蟲蝙蝠和6個食果蝙蝠(2個新大陸果蝠和4個舊大陸果蝠)的酪氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶基因(TAT)研究顯示，在舊大陸果蝠中經(jīng)歷了選擇壓力放松，而在新大陸果蝠和食蟲蝙蝠中中卻經(jīng)歷了強烈的純凈化選擇，并且酶活測定實驗也顯示TAT基因在舊大陸果蝠肝臟中的活性明顯低于新大陸果蝠，即在能量代謝中通過氨基酸的異化途徑來提供能量的能力大大減少，并且之前的研究顯示在舊大陸熱帶地區(qū)中可食植物的多樣性和穩(wěn)定性明顯低于新大陸熱帶地區(qū)，這樣大大減少了舊大陸熱帶地區(qū)果蝠食物中氨基酸的含量，進一步驗證了實驗結(jié)果。因此，Slc2a4和TAT基因在新大陸果蝠中都檢測到純凈化選擇壓力，而在舊大陸果蝠中發(fā)生了不同程度的適應性變化，這一結(jié)果提示物種自身遺傳物質(zhì)的變化與其所生活的環(huán)境密不可分。

同樣在脂類代謝途徑中也發(fā)現(xiàn)了一些有趣的現(xiàn)象。曾燕妮等[23]通過對食蟲蝙蝠——瑩鼠耳蝠和食果蝙蝠——馬來大狐蝠全基因組正選擇進行比較分析，結(jié)果顯示：脂質(zhì)代謝通路的正選擇基因富集于食果蝙蝠中，而在食蟲蝙蝠中并未檢測到此功能基因的正選擇作用。作者推測因為食果蝙蝠主要攝食花蜜、果實等糖類物質(zhì)，對脂類物質(zhì)的攝取較少，因此體內(nèi)需要大量合成脂類物質(zhì)以維持正常需求而經(jīng)歷了強烈的正選擇壓力。

4 冬眠適應性進化的分子機制

冬眠是生物適應極端環(huán)境所產(chǎn)生的特殊策略之一。在此期間，生物的能量代謝速率降到極低值，盡可能的充分利用自身的脂肪組織來彌補食物的短缺所造成的致命傷害。翼手目中大部分的物種都具有冬眠習性，涵蓋于3個超科(鞘尾蝠超科、蝙蝠超科、菊頭蝠超科)，分布于寒帶和亞熱帶地區(qū)[53～59]。

瘦蛋白(Leptin)主要是由脂肪組織分泌的一種分解蛋白，對生物的能量代謝，體重調(diào)節(jié)具有重要的作用[56～59]。處于冬眠期間的物種需要消耗大量的能量以維持自身的正常代謝。He 等[60,61]選取冬眠蝙蝠代表物種馬鐵菊頭蝙蝠(R.ferrumequinum)和非冬眠蝙蝠代表物種棕果蝠(Rousettus leschenaulti)作為研究對象，進行瘦蛋白基因(leptin)基因進化分析，結(jié)果顯示冬眠物種和非冬眠物種的瘦蛋白氨基酸序列相似程度低，并且在冬眠蝙蝠的DNA序列水平上檢測到更多的非同義替換位點(即引起氨基酸改變的替換位點)。三維結(jié)構(gòu)的同源模建結(jié)果顯示，這些突變位點位于信號轉(zhuǎn)導的重要位置。進一步的表達分析也顯示冬眠蝙蝠的 leptin基因在脂肪細胞3T3-L1中的表達水平更高，對細胞的生長抑制更明顯。以上的研究結(jié)果提示，leptin基因?qū)Χ唑鹪诖x方面的適應性進化具有重要作用。隨后，Yuan等[53]對更多蝙蝠的代表物種進行 leptin基因的選擇壓力分析，結(jié)果顯示該基因在非冬眠蝙蝠中發(fā)生了選擇壓力放松，而在冬眠蝙蝠中則受到了正選擇作用。通過滑窗分析(Sliding window analysis)顯示，在冬眠蝙蝠中瘦蛋白第三外顯子的氨基酸替換頻率最高，共檢測到29個非同義替換位點，其中6個位點位于編碼區(qū)的核心位置[53,62]；進一步的功能研究顯示，在冬眠蝙蝠中瘦蛋白具有更好的分解脂肪的能力。這項研究再次證實 leptin基因在冬眠物種蝙蝠中的確發(fā)揮著重要的作用。

冬眠物種除了消耗脂肪以維持自身的能量需求外，還可以通過對蛋白質(zhì)的利用來提供能量。苯基丙氨酸(Phe)和酪氨酸(Tyr)在氨基酸分解供能中具有重要作用，并且參與到脂肪組織的分解過程。Pan等[63]通過對苯基丙氨酸-酪氨酸分解通路中的關鍵蛋白酶：苯基丙氨酸羥化酶(PAH)、羥基苯丙酮酸雙加氧酶(HPD)、尿黑酸雙加氧酶(HGD)、延胡索二酰已酰酶(FAH)的蛋白免疫印記研究顯示，在親緣關系較遠的兩個冬眠物種大足鼠耳蝠(Myotis ricketti)和馬鐵菊頭蝠(R.ferrumequinum)的肝臟組織中，PAH、HGD、和FAH的酶活活性在氨基酸的異化途徑中均發(fā)生了協(xié)同上調(diào)表達。由于 Phe是生成葡萄糖的前體蛋白，同時檢測到肝臟中苯基丙氨酸(Phe)的含量顯著減少，說明在冬眠期間個體通過增加氨基酸的異化途徑來供能。分子進化研究顯示 PAH、HPD、HGD和 FAH在冬眠蝙蝠中均發(fā)生了強烈的純凈化選擇作用，提示這一通路中的關鍵蛋白酶對蝙蝠的冬眠習性具有不可替代的作用，同時也為人們提供了一個全新的視角來探討蝙蝠的冬眠習性。

最近，Zhang等[20]通過對大衛(wèi)鼠耳蝠(冬眠蝙蝠)和中央狐蝠(非冬眠蝙蝠)的基因組分析顯示，大衛(wèi)鼠耳蝠中的膽鹽刺激脂酶基因(BSSL)發(fā)生了基因復制，具有6個拷貝。有趣的是，在所有復制拷貝的保守區(qū)域，檢測到2～5個氨基酸不同程度的非同義突變位點，這一變化提示此基因可能分化出了專一性的適應不同底物消化的能力，對于冬眠期間物種高效利用能量具有重要作用。除此之外，還檢測到其他一些可能與冬眠相關的正選擇基因，包括鈣離子依賴性磷酸酯酶調(diào)節(jié)蛋白基因(PPP1R9A)、谷氨酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白基因(SLC1A2)、同源序列框蛋白基因(PRRX1)、微管結(jié)合蛋白 1B基因(MAP1B)、微管結(jié)合蛋白 2基因(MAP2)和肌球蛋白輕鏈蛋白基因(MYLK)。同年，Seim 等[35]對另一個冬眠蝙蝠物種——布什鼠耳蝠(Myotis brandtii)的全基因組和肝臟轉(zhuǎn)錄組的研究結(jié)果顯示基因表達下調(diào)的基因主要與核糖體結(jié)構(gòu)完整性表達、RNA的相關結(jié)合蛋白、參與蛋白質(zhì)合成途徑、以及糖酵解和線粒體氧化呼吸等生理活動相關；而基因表達顯著上調(diào)的基因主要與消化吸收、肽酶活性、脂肪分解以及耐受等生理方面相關。這說明冬眠蝙蝠同樣通過增強糖類的分解、脂肪的分解以及蛋白的分解途徑來提供能量，同時也盡量減少不必要的能量消耗以平穩(wěn)的度過冬眠期。

5 免疫防御適應性進化的分子機制

以前的研究結(jié)果顯示蝙蝠與多種人類的烈性傳染病有密切關系，并且是很多人類流行病病毒的宿主源，如亨德拉病毒，非典型肺炎和埃博拉病毒等[64～70]。Zhang等[20]對大衛(wèi)鼠耳蝠和中央狐蝠的基因組序列進行分析顯示：天然免疫系統(tǒng)的NF-κB家族中轉(zhuǎn)錄因子c-REL受到強烈的正選擇作用，并且在核心抗原結(jié)合區(qū)域內(nèi)檢測到與免疫系統(tǒng)的識別有密切關系的 4個氨基酸位點發(fā)生了變異。此外，以往對哺乳動物的研究中證實與炎癥反應和微生物抗原識別相關的干擾素誘導蛋白基因家族(Pyhin)在蝙蝠物種中缺失，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的第一個缺失該基因家族的哺乳動物類群。同時，該研究還發(fā)現(xiàn)識別外源抗原分子的自然殺傷細胞免疫球蛋白受體基因家族(KIR)和自然殺傷細胞凝集素受體基因家族(KLR)在大蝙蝠亞目中的中央狐蝠中丟失，在小蝙蝠亞目中的大衛(wèi)鼠耳蝠中只檢測到一個假基因。令人驚奇的是，對白細胞受體復合物基因家族(LRC)的分析發(fā)現(xiàn)，與中央狐蝠中僅存在一個基因不同，在大衛(wèi)鼠耳蝠中存在多個基因。結(jié)合同年Seim等[35]對另一小蝙蝠亞目物種——布什鼠耳蝠的基因組研究結(jié)果，即67個存在基因擴張的基因家族中，多數(shù)與免疫球蛋白亞型結(jié)構(gòu)和免疫球蛋白應答密切相關，提示翼手目的免疫應答機制遠比人們想象的復雜，而且基因復制在翼手目的免疫防御適應性進化中是重要的驅(qū)動力之一。對翼手目核糖核酸酶基因超家族(RNASE A)的研究也反映了基因重復在適應性進化中的重要作用。2013年，Goo等[8]對小蝙蝠亞目瑩鼠耳蝠和大蝙蝠亞目馬來大狐蝠的基因組分析顯示，瑩鼠耳蝠中的核糖核酸酶基因超家族成員中的 4個成員——RNase1、RNase4、RNase5和 RNase6，都發(fā)現(xiàn)了基因重復現(xiàn)象，且所有發(fā)生重復的基因拷貝等電點都很高，即堿性環(huán)境下能有效破壞細菌細胞壁進而殺死細菌，推測可能與宿主防御有密切關系。隨后 Xu等[71]對RNase1的深入研究也得到了同樣的結(jié)論。

6 結(jié) 語

翼手目適應性進化的分子機制經(jīng)歷了單基因研究到基因組水平研究的過程，并且不斷豐富的研究成果提示我們這一類群的適應性進化機制比我們以往所認識和了解的更為復雜，如與回聲定位相關的趨同現(xiàn)象、大量的基因家族丟失或擴張事件、與冬眠相關的多通路的協(xié)同調(diào)節(jié)等，需要進一步的研究。而且，越來越多的研究也發(fā)現(xiàn)，翼手目在更多方面也表現(xiàn)出適應性進化，并進行了其分子機制的探索，包括信息素感知[72]、視覺特化[23]等。值得欣喜的是，隨著理論和研究技術的不斷革新，為人們從基因組水平上探討翼手目這一類群的進化機制提供了前所未有的機會，擺脫了早期的單基因研究效率低、結(jié)論片面等一些弊端，但同時也產(chǎn)生了新的挑戰(zhàn)：諸多的研究結(jié)果僅僅提供了與生物特性相適應的一些候選信息的遺傳序列差異變化，這些變化是否最終對生物的適應性產(chǎn)生影響，需要運用定量表達差異分析、定點突變、基因敲出等技術更深入地從結(jié)構(gòu)變化或功能調(diào)控表達等方面進行充分的驗證，而轉(zhuǎn)錄組學、蛋白組學的發(fā)展也為人們提供了更有效的技術平臺。同時比較基因組學和宏基因組技術的發(fā)展提示，可以從腸道微生物菌群或烈性病原菌群的視角對蝙蝠豐富的食性變化和多種病原菌的宿主免疫功能進行探究。而關于蝙蝠其他的一些生物學特征也值得關注：(1)蝙蝠食性多樣化是否導致了牙齒的相應變化？(2)高密度的群體性生活是否與自身的高效宿主防御有關？(3)精子貯存、胚胎延遲受精、與人類具有相似月經(jīng)行為等特殊的生殖現(xiàn)象對人類復雜疾病的研制都具有重要的參考價值等等。

總之，隨著研究技術的不斷成熟以及研究成果的不斷豐富，人們對翼手目這一類群的認識和了解將更加的深入和系統(tǒng)，同時也為探討動物適應性進化分子機制做出貢獻。

[1]Yu L, Wang XY, Jin W, Luan PT, Ting N, Zhang YP.Adaptive evolution of digestive RNASE1 genes in leafeating monkeys revisited: new insights from ten additional colobines.Mol Biol Evol, 2010, 27(1): 121–131.

[2]Yu L, Jin W, Zhang X, Wang D, Zheng JS, Yang G, Xu SX,Cho S, Zhang YP.Evidence for positive selection on the leptin gene in Cetacea and Pinnipedia.PLoS One, 2011,6(10): e26579.

[3]Yu L, Zhang YP.The unusual adaptive expansion of pancreatic ribonuclease gene in carnivora.Mol Biol Evol,2006, 23(12): 2326–2335.

[4]Zhang J.Parallel adaptive origins of digestive RNases in Asian and African leaf monkeys.Nat Genet, 2006, 38(7):819–823.

[5]Zhang J, Zhang YP, Rosenberg HF.Adaptive evolution of a duplicated pancreatic ribonuclease gene in a leaf-eating monkey.Nat Genet, 2002, 30(4): 411–415.

[6]Davies KT, Cotton JA, Kirwan JD, Teeling EC, Rossiter SJ.Parallel signatures of sequence evolution among hearing genes in echolocating mammals: an emerging model of genetic convergence.Heredity, 2012, 108(5):480–489.

[7]Feng P, Zheng JS, Rossiter SJ, Wang D, Zhao HB.Massive losses of taste receptor genes in toothed and baleen whales.Genome Biol Evol, 2014, 6(6): 1254–1265.

[8]Goo SM, Cho S.The expansion and functional diversification of the mammalian ribonuclease a superfamily epitomizes the efficiency of multigene families at generating biological novelty.Genome Biol Evol, 2013, 5(11):2124–2140.

[9]張勁碩, 張俊鵬, 梁冰, 張樹義.世界翼手目動物分類系統(tǒng)和種類最新報道.動物學雜志, 2005, 40(2): 79.

[10]Simmons NB, Order Chiroptera.In: Wilson DE, Reeder DM, eds.Mammal Species of the World: A Taxonomic and Geographic Reference.3rd ed.Baltimore: Johns Hopkins University Press, 2005.

[11]Zhang JS, Han NJ, Jones G, Lin LK, Zhang JP, Zhu GJ,Huang DW, Zhang SY.A new species of Barbastella(Chiroptera: Vespertilionidae) from north China.J Mammal,2007, 88(6): 1393–1403.

[12]Zhou ZM, Guillén-Servent A, Lim BK, Eger JL, Wang YX,Jiang XL.A new species from southwestern China in the Afro-Palearctic lineage of the horseshoe bats (Rhinolophus).J Mammal, 2009, 90(1): 57–73.

[13]Teeling EC, Springer MS, Madsen O, Bates P, O'brien SJ,Murphy WJ.A molecular phylogeny for bats illuminates biogeography and the fossil record.Science, 2005,307(5709): 580–584.

[14]Thomas SP, Suthers RA.The physiology and energetics of bat flight.J Exp Biol, 1972, 57(2): 317–335.

[15]Maina JN.What it takes to fly: the structural and functional respiratory refinements in birds and bats.J Exp Biol, 2000, 203(20): 3045–3064.

[16]陳星, 沈永義, 張亞平.線粒體 DNA 在分子進化研究中的應用.動物學研究, 2012, 33(6): 566–573.

[17]Shen YY, Liang L, Zhu ZH, Zhou WP, Irwin DM, Zhang YP.Adaptive evolution of energy metabolism genes and the origin of flight in bats.Proc Natl Acad Sci USA, 2010,107(19): 8666–8671.

[18]Bakewell MA, Shi P, Zhang J.More genes underwent positive selection in chimpanzee evolution than in human evolution.Proc Natl Acad Sci USA, 2007, 104(18): 7489–7494.

[19]Kosiol C, Vina? T, da Fonseca RR, Hubisz MJ,Bustamante CD, Nielsen R, Siepel A.Patterns of positive selection in six mammalian genomes.PLoS Genet, 2008,4(8): e1000144.

[20]Zhang GJ, Cowled C, Shi ZL, Huang ZY, Bishop-Lilly KA,Fang XD, Wynne JW, Xiong ZQ, Baker ML, Zhao W,Tachedjian M, Zhu YB, Zhou P, Jiang XT, Ng J, Yang L,Wu LJ, Xiao J, Feng Y, Chen YX, Sun XQ, Zhang Y,Marsh GA, Crameri G, Broder CC, Frey KG, Wang LF,Wang J.Comparative analysis of bat genomes provides insight into the evolution of flight and immunity.Science,2013, 339(6118): 456–460.

[21]O'Keefe K, Li H, Zhang Y.Nucleocytoplasmic shuttling of p53 is essential for MDM2-mediated cytoplasmic degradation but not ubiquitination.Mol Cell Biol, 2003,23(18): 6396–6405.

[22]Roth J, Dobbelstein M, Freedman DA, Shenk T, Levine AJ.Nucleo-cytoplasmic shuttling of the hdm2 oncoprotein regulates the levels of the p53 protein via a pathway used by the human immunodeficiency virus rev protein.EMBO J, 1998, 17(2): 554–564.

[23]曾燕妮, 沈永義, 張亞平.基于全基因組正選擇基因揭示大狐蝠和小棕蝠功能分化分子機制.動物學研究,2013, 34(3): 221–227.

[24]Zheng J, Shen W, He DZ, Long KB, Madison LD, Dallos P.Prestin is the motor protein of cochlear outer hair cells.Nature, 2000, 405(6783): 149–155.

[25]Liberman MC, Gao JG, He DZZ, Wu XD, Jia SP, Zuo J.Prestin is required for electromotility of the outer hair cell and for the cochlear amplifier.Nature, 2002, 419(6904):300–304.

[26]Meiklejohn CD, Montooth KL, Rand DM.Positive and negative selection on the mitochondrial genome.Trends Genet, 2007, 23(6): 259–263.

[27]Rand DM.The units of selection on mitochondrial DNA.Annu Rev Ecol Syst, 2001, 32(1): 415–448.

[28]Franchini LF, Elgoyhen AB.Adaptive evolution in mammalian proteins involved in cochlear outer hair cell electromotility.Mol Phylogenet Evol, 2006, 41(3): 622–635.

[29]Jones G, Teeling EC, Rossiter SJ.From the ultrasonic to the infrared: molecular evolution and the sensory biology of bats.Front Physiol, 2013, 4(117): 1–16.

[30]Li G, Wang J, Rossiter SJ, Jones G, Cotton JA, Zhang S.The hearing gene Prestin reunites echolocating bats.Proc Natl Acad Sci USA, 2008, 105(37): 13959–13964.

[31]Li Y, Liu Z, Shi P, Zhang JZ.The hearing gene Prestin unites echolocating bats and whales.Curr Biol, 2010,20(2): R55–R56.

[32]Liu Y, Cotton JA, Shen B, Han XQ, Rossiter SJ, Zhang SY.Convergent sequence evolution between echolocating bats and dolphins.Curr Biol, 2010, 20(2): R53–R54.

[33]Liu Y, Han NJ, Franchini LF, Xu HH, Pisciottano F,Elgoyhen AB, Rajan KE, Zhang SY.The voltage-gated potassium channel subfamily KQT member 4 (KCNQ4)displays parallel evolution in echolocating bats.Mol Biol Evol, 2012, 29(5): 1441–1450.

[34]Parker J, Tsagkogeorga G, Cotton JA, Liu Y, Provero P,Stupka E, Rossiter SJ.Genome-wide signatures of convergent evolution in echolocating mammals.Nature, 2013, 502(7470):228–231.

[35]Seim I, Fang XD, Xiong ZQ, Lobanov AV, Huang ZY, Ma SM, Feng Y, Turanov AA, Zhu YB, Lenz TL, Gerashchenko MV, Fan DD, Hee Yim SH, Yao XM, Jordan D, Xiong YQ,Ma Y, Lyapunov AN, Chen GX, Kulakova OI, Sun YD,Lee SG, Bronson RT, Moskalev AA, Sunyaev SR, Zhang GJ,Krogh A, Wang J, Gladyshev VN.Genome analysis reveals insights into physiology and longevity of the Brandt's bat Myotis brandtii.Nat Commun, 2013, 4(2122): 1–8.

[36]Shen YY, Liang L, Li GS, Murphy RW, Zhang YP.Parallel evolution of auditory genes for echolocation in bats and toothed whales.PLoS Genet, 2012, 8(6): e1002788.

[37]Liu Z, Li SD, Wang W, Xu DM, Murphy RW, Shi P.Parallel evolution of KCNQ4 in echolocating bats.PLoS One, 2011, 6(10): e26618.

[38]Kinnamon SC, Margolskee RF.Mechanisms of taste transduction.Curr Opin Neurobiol, 1996, 6(4): 506–513.

[39]Zhao HB, Xu D, Zhang SY, Zhang JZ.Genomic and genetic evidence for the loss of umami taste in bats.Genome Biol Evol, 2012, 4(1): 73–79.

[40]Lindemann B.Taste reception.Physiol Rev, 1996, 76(3):718–766.

[41]Bachmanov AA, Beauchamp GK.Taste receptor genes.Annu Rev Nutr, 2007, 27: 389–414.

[42]Zhou YY, Dong D, Zhang SY, Zhao HB.Positive selection drives the evolution of bat bitter taste receptor genes.Biochem Genet, 2009, 47(3–4): 207–215.

[43]Zhao HB, Zhou YY, Pinto CM, Charles-Dominique P,Galindo-González J, Zhang SY, Zhang JZ.Evolution of the sweet taste receptor gene Tas1r2 in bats.Mol Biol Evol,2010, 27(11): 2642–2650.

[44]Ratcliffe JM, Fenton MB, Galef Jr BG.An exception to the rule: common vampire bats do not learn taste aversions.Anim Behav, 2003, 65(2): 385–389.

[45]Bahlman JW, Kelt DA.Use of olfaction during prey location by the common vampire bat (Desmodus rotundus).Biotropica, 2007, 39(1): 147–149.

[46]Gracheva EO, Cordero-Morales JF, González-Carcacía JA,Ingolia NT, Manno C, Aranguren CI, Weissman JS, Julius D.Ganglion-specific splicing of TRPV1 underlies infrared sensation in vampire bats.Nature, 2011, 476(7358): 88–91.

[47]Kishida R, Goris RC, Terashima S, Dubbeldam JL.A suspected infrared-recipient nucleus in the brainstem of the vampire bat, Desmodus rotundus.Brain Res, 1984,322(2): 351–355.

[48]Hayden S, Bekaert M, Crider TA, Mariani S, Murphy WJ,Teeling EC.Ecological adaptation determines functional mammalian olfactory subgenomes.Genome Res, 2010,20(1): 1–9.

[49]Hayden S, Bekaert M, Goodbla A, Murphy WJ, Davalos LM, Teeling EC.A cluster of olfactory receptor genes linked to frugivory in bats.Mol Biol Evol, 2014, 31(4):917–927.

[50]Shen B, Han XQ, Zhang JP, Rossiter SJ, Zhang SY.Adaptive evolution in the glucose transporter 4 gene Slc2a4 in old world fruit bats (Family: Pteropodidae).PLoS One, 2012, 7(4): e33197.

[51]Kelm DH, Simon R, Kuhlow D, Voigt CC, Ristow M.High activity enables life on a high-sugar diet: blood glucose regulation in nectar-feeding bats.Proc Biol Sci,2011, 278(1724): 3490–3496.

[52]Shen B, Fang T, Yang TX, Jones G, Irwin DM, Zhang SY.Relaxed evolution in the tyrosine aminotransferase gene Tat in old world fruit bats (Chiroptera: Pteropodidae).PLoS One, 2014, 9(5): e97483.

[53]Yuan LH, Zhao XD, Lin BF, Rossiter SJ, He LJ, Zuo XG,He GM, Jones G, Geiser F, Zhang SY.Adaptive evolution of Leptin in heterothermic bats.PLoS One, 2011, 6(11):e27189.

[54]Geiser F, Stawski C.Hibernation and torpor in tropical and subtropical bats in relation to energetics, extinctions,and the evolution of endothermy.Integr Comp Biol,2011, 51(3): 337–348.

[55]Geiser F, K?rtner G.Hibernation and daily torpor in Australian mammals.Aust J Zool, 2010, 35(2): 204–215.

[56]Considine RV, Caro JF.Leptin and the regulation of body weight.Iin J Biochem Cell Biol, 1997, 29(11): 1255–1272.

[57]Zhang YY, Proenca R, Maffei M, Barone M, Leopold L,Friedman JM.Positional cloning of the mouse obese gene and its human homologue.Nature, 1994, 372(6505): 425–432.

[58]Campfield LA, Smith FJ, Guisez Y, Devos R, Burn P.Recombinant mouse OB protein: evidence for a peripheral signal linking adiposity and central neural networks.Science, 1995, 269(5223): 546–549.

[59]Friedman JM, Halaas JL.Leptin and the regulation of body weight in mammals.Nature, 1998, 395(6704): 763–770.

[60]He LJ, Pan Y, He GM, Lin BF, Liao CC, Zuo XG, Yuan LH.Structural and functional studies of leptins from hibernating and non-hibernating bats.Gen Comp Endocrinol,2010, 168(1): 29–35.

[61]鄒果, 張亞平, 于黎.瘦蛋白 (leptin) 自然選擇和適應性進化研究概述.科學通報, 2013, 58(16): 1473–1482.

[62]Grasso P, Leinung MC, Ingher SP, Lee DW.In vivo effects of leptin-related synthetic peptides on body weight and food intake in female ob/ob mice: localization of leptin activity to domains between amino acid residues 106–140.Endocrinology, 1997, 138(4): 1413–1418.

[63]Pan YH, Zhang YJ, Cui J, Liu Y, McAllan BM, Liao CC,Zhang SY.Adaptation of phenylalanine and tyrosine catabolic pathway to hibernation in bats.PLoS One,2013, 8(4): e62039.

[64]Wang LF.Bats and viruses: a brief review.Virol Sin, 2009,24(2): 93–99.

[65]Leroy EM, Kumulungui B, Pourrut X, Rouquet P,Hassanin A, Yaba P, Délicat A, Paweska JT, Gonzalez JP,Swanepoel R.Fruit bats as reservoirs of Ebola virus.Nature, 2005, 438(7068): 575–576.

[66]Lau SK, Woo PC, Li KS, Huang Y, Tsoi HW, Wong BH,Wong SS, Leung SY, Chan KH, Yuen KY.Severe acute respiratory syndrome coronavirus-like virus in Chinese horseshoe bats.Proc Natl Acad Sci USA, 2005, 102(39):14040–14045.

[67]Wang LF, Walker PJ, Poon LL.Mass extinctions, biodiversity and mitochondrial function: are bats ‘special’as reservoirs for emerging viruses? Curr Opin Virol, 2011,1(6): 649–657.

[68]Chua KB, Bellini WJ, Rota PA, Harcourt BH, Tamin A,Lam SK, Ksiazek TG, Rollin PE, Zaki SR, Shieh W,Goldsmith CS, Gubler DJ, Roehrig JT, Eaton B, Gould AR,Olson J, Field H, Daniels P, Ling AE, Peters CJ, Anderson LJ, Mahy BW.Nipah virus: a recently emergent deadly paramyxovirus.Science, 2000, 288(5470): 1432–1435.

[69]Li WD, Shi ZL, Yu M, Ren WZ, Smith C, Epstein JH,Wang HZ, Crameri G, Hu ZH, Zhang HJ, Zhang JH,McEachern J, Field H, Daszak P, Eaton BT, Zhang SY,Wang LF.Bats are natural reservoirs of SARS-like coronaviruses.Science, 2005, 310(5748): 676–679.

[70]Rouquet P, Froment JM, Bermejo M, Kilbourn A, Karesh W, Reed P, Kumulungui B, Yaba P, Delicat A, Rollin PE,Leroy EM.Wild animal mortality monitoring and human Ebola outbreaks, Gabon and Republic of Congo, 2001–2003.Emerg Infect Dis, 2005, 11(2): 283–290.

[71]Xu HH, Liu Y, Meng FX, He BB, Han NJ, Li G, Rossiter SJ, Zhang SY.Multiple bursts of pancreatic ribonuclease gene duplication in insect-eating bats.Gene, 2013, 526(2):112–117.

[72]Zhao HB, Xu D, Zhang SY, Zhang JZ.Widespread losses of vomeronasal signal transduction in bats.Mol Biol Evol,2011, 28(1): 7–12.