Cell genomics丨神奇！近亲繁殖减少了基因有害突变

鸮鹦鹉是新西兰特有的一种不会飞的鹦鹉。它体型大，通体绿色，以其独特的猫头鹰脸和蹒跚的步态而闻名。到1995年，该物种在全球只有51只，其中50只来自与世隔绝的斯图亚特岛，另一只名为理查德·亨利的雄性个体来自已灭绝的大陆种群。理查德·亨利和39只斯图亚特岛鸮鹦鹉是1995年以来所有鸮鹦鹉的祖先。截至2021年，共有201只鸮鹦鹉幸存下来。由于数量极度稀少，它们近亲繁殖水平提高，这导致自19世纪以来，鸮鹦鹉已经失去了70%-80%的遗传多样性。

9月8日，《Cell Genomics》上发表了一篇标题为“Population genomics of the critically endangered kakapo”的研究论文，该文介绍了脊椎动物基因组计划(VGP)最早在染色体水平测定的基因组之一——鸮鹦鹉的参考基因组。并对斯图亚特岛的49只鸮鹦鹉和已灭绝的大陆种群进行了群体基因组学分析。结果表明，与大陆个体相比，现在岛上鸮鹦鹉基因组中有害突变的数量减少了，这可能是近亲繁殖的增加导致的基因漂移和有害突变清除的结果。

在末次冰期之后，岛屿和大陆的种群出现了分化

对90年代最严重种群瓶颈期的36个个体(理查德·亨利和35只斯图亚特岛的鸮鹦鹉)进行了染色体水平的基因组测序，以及对来自130年前的13个已灭绝的大陆种群标本进行基因组测序(图1A)。该分析不包括幸存个体的现今存活后代。通过主成分分析确定了大陆种群和岛屿种群的遗传差异(图1B)。

为了跟踪种群大小(Ne)随时间的变化，作者进行了成对序列马可夫共祖分析(PSMC)分析。结果表明从距今约3万年前开始，大陆和岛屿种群都出现了急剧下降(图1C)，此时恰好是末次冰盛期（LGM）的开始。在末次冰期末期（大概10000年前），鸮鹦鹉种群从15,000-20,000只下降到1,000-3,000只。进一步，用MSMC2软件验证，支持了上述结果(图1D)。

据推测，鸮鹦鹉是500年前由毛利人或欧洲定带入斯图亚特岛的，然而近似贝叶斯（ABC）分析表明大陆和岛屿种群分化时间却是末次冰期的末期（图1C，1D），即这种鹦鹉的近亲繁殖历史已有1万年，但基因组仍然很健康。

岛上的种群高度近亲繁殖

自末冰期结束以来，斯图亚特岛的鸮鹦鹉由于捕食者的引入在过去150年里急剧减少，常染色体全基因组分析表明，岛屿鹦鹉的个体杂合度显著降低，此外，基于涵盖所有个体的高质量变异数据集，作者发现近亲繁殖导致岛屿种群纯合子序列延长（FROH），岛屿种群基因组序列中有53%的的纯合子序列（ROH）大于>100kb，但大陆种群中只有15%（图2B）。并且，岛屿种群超长ROH(>2Mb)比例比大陆种群更高。总之，这种现象是最近几百年低种群数量和近亲繁殖导致的。

斯图亚特岛鸮鹦鹉的基因组中有害突变相对较少

为了验证小群体受强漂移作用会导致有害突变负荷降低、有害清除增加。作者首先测量了个体突变负荷，即在严格进化限制下的位点衍生等位基因的数量，用基因组进化率图谱(GERP)得分来预测其可能的有害突变。结果表明，斯图亚特岛的基因组中的突变载量比大陆鹦鹉低1.1倍(图3A)。此外，在进化限制最强的位点上，有害等位基因数量的差异最为显著，这与斯图尔特岛种群中有害突变的清除一致

第二，作者通过在15,699个编码基因的注释中识别变异来估计每个个体的突变负荷。结果表明，斯图亚特岛种群的高度有害(预计功能丧失[LoF])突变比大陆鹦鹉种群少1.9倍(图3B)，平均而言，岛屿种群和大陆种群变异预测值分别为17.6和34.1(图3B)。衍生等位基因比率(Rxy)也表明，岛屿种群的LoF和错义突变更少(图3C)，此外，大陆种群在杂合状态下的LoF等位基因数量更多。这表明这些突变中的许多在纯合状态是有害的。作者还发现，与基因组的杂合部分相比，ROH内部的LoF等位基因数量明显较少，不过这种差异在岛屿种群中较小，这表明重复近亲繁殖可能促进了杂合LoF等位基因的去除。这也就是说，近亲繁殖导致有害的突变被清除了。

为了进一步测试作者的结果是否与有害突变的清除一致，作者进行了正向模拟，概括了大陆和岛屿种群的历史(图4A)。模拟表明，大概在15000-20000年前，鸮鹦鹉从大陆种群分离以来，小种群和近亲繁殖的导致了岛屿种群基因的净化选择，进一步导致了鸮鹦鹉多样性的降低。

小结

作者的种群基因组分析表明，斯图亚特岛鸮鹦鹉是近亲交配的，但比大陆种群有更低的突变负荷，这是因为随机遗传漂移导致了在岛屿种群数量减少之前频率较低的等位基因的丢失，然而，虽然大多数有害等位基因在低频下会因为随机漂移而丢失，但有一小部分是固定的，这意味着有害等位基因的平均频率不会改变。由于作者在斯图亚特岛种群中观察到错义和LoF变体的相对频率降低(图3C)，表明这可能是近亲繁殖和净化选择的导致的，而岛屿种群ROH内外LoF等位基因减少进一步证明了这种推测。这表明，由于种群数量少，并且与大陆隔离，一代又一代的近亲繁殖减少了LoF。

原文链接：

https://www.cell.com/cell-genomics/fulltext/S2666-979X(21)00002-1

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