1. 高海拔和低海拔鼢鼠的表型

鼢鼠属主要生活在低氧高二氧化碳的封闭地洞中，面临着极端的环境压力。凸颅鼢鼠属的六个物种具有清晰的系统发育关系，它们在青藏高原隆起后，逐渐分化为高海拔（高原鼢鼠E. baileyi，斯氏鼢鼠E. smithi）和低海拔（中华鼢鼠E. fontanierii、甘肃鼢鼠E. cansus、秦岭鼢鼠E. rufescens、罗氏鼢鼠E. rothschildi）两个支系。

该研究测量了多种凸颅鼢鼠的肺质量和体质量的关系、红细胞计数和血红蛋白浓度，发现高原鼢鼠E. baileyi相比其他鼢鼠物种具有更大的肺质量，红细胞计数和血红蛋白浓度也高于低海拔甘肃鼢鼠E. cansus和秦岭鼢鼠E. rufescens。此外，E. baileyi的红细胞计数和血红蛋白浓度随着海拔的升高而增加，与慢性低氧的适应表现相一致。

2. 鼢鼠的基因组进化与低氧适应

该研究采用ONT测序、Illumina测序和Hi-C挂载，组装了高原鼢鼠E. baileyi的第一个染色体级别的基因组，大小为2.47 Gb，与之前发表的高原鼢鼠基因组组装相比，质量有了显著提高。该组装基因组有31个拟染色体（2n=62），与成纤维细胞的核型分析结果一致。

通过比较基因组分析，该研究构建了9种啮齿动物的系统发育树和物种分化时间，发现E. baileyi中有469个基因家族显著扩张，1609个基因家族显著收缩，前者与低氧诱导因子信号通路、DNA损伤修复、自噬、细胞周期、硒半胱氨酸合成、嘌呤和视黄醇代谢、核分裂装置在有丝分裂中心粒的招募、免疫应答和营养功能有关，后者与细胞周期、WNT信号通路、代谢和减数分裂重组有关。此外，E. baileyi中71个特异的正选择基因与双链断裂修复、昼夜节律和泛素依赖的蛋白质分解功能相关。

3. 鼢鼠的基因组结构变异

基于上述六种鼢鼠的长读长测序数据，以低海拔E. fontanierii为参考，该研究鉴定了398087个结构变异（218607个缺失、168333个插入、5183个重复、5062个倒位和902个易位）并识别了各种鼢鼠的特有结构变异。六种鼢鼠146个个体的短读长重测序数据也评估了这些结构变异的频率。同时，相较于低海拔E. fontanierii，高海拔E. baileyi染色体水平的基因组中有18个长度超过1 Mb的大片段倒位：11个倒位位于或靠近染色体末端，并且大多数断点与富含端粒的区域相邻；7个倒位包含了端粒区域，表明这些倒位可能改变了端粒的位置。

4. 高原鼢鼠的特有结构变异及其在低氧适应中的作用

该研究比较高海拔E. baileyi和低海拔E. fontanierii的RNA-seq数据，确认E. baileyi的心、肝脏、肺部中与3748个特有结构变异相关的差异表达基因，发现这些基因参与多种与低氧适应相关的生物过程，包括免疫反应、细胞粘附、心脏发育、血管发育等。进一步分析显示，海拔分布最高的E. smithi和E. baileyi中与物种特异性结构变异关联的345个基因，这些基因富集的功能也与其他高原哺乳动物的低氧适应有关；E. baileyi中EGLN1、HIF1A和HSF1内含子的倒位或缺失导致了相关基因的表达上调，双荧光素实验结果与其一致；与DNA修复和免疫相关的SFTPD、XRCC4和UVRAG中的结构变异影响了蛋白质的结构或编码序列。

5. 三维基因组进化也可能促进低氧适应

36个大倒位断点中的7个位于基因区域，可能对相关基因的功能和表达产生影响。此外，该研究中大多数倒位断点发生在TAD边界附近，断点可能通过干扰基因/调控因子之间的相互作用影响基因的表达。

E. baileyi中1号染色体有一个50 Mb的染色体重排，该重排在四种可能的纯合或杂合基因型组合中均可观察到。该研究根据海拔高度将六种鼢鼠分为四种基因型，发现低氧适应相关的EGLN1基因在三种变异基因型（II、III和IV）通过倒位从染色体末端移动到染色体臂的中部。此外，chr1大倒位区域中的大多数基因与低氧适应、DNA损伤修复、炎症、免疫、凋亡、血小板和血管发育等功能有关。

另外，A/B compartment、TAD和loop在E. baileyi和E. fontanierii之间的重排区域中存在显著差异，表明重排可能改变了基因/调控因子之间的相互作用和表达。在一些E. baileyi特异的TADs，包含了一些与凋亡和自噬、催化胆固醇和脂质合成反应相关的基因家族，如AKR1、CYP3A等。同时，重排使得应答细胞缺氧的EGLN1、GNPAT、EXOC8、SPRTN、DISCI和TSNAX位于一个融合TAD。另外，与重排区域的TAD融合事件一致，E. baileyi中的一些TAD扩大了范围，相互作用距离也显著延伸。

最后，该研究确定高原鼢鼠基因组中的小倒位（<1 Mb）和大倒位（>1 Mb）的形成机制。小倒位主要由LINE-1转座子的逆转录插入引起，LINE-1转座子的逆转录是高原鼢鼠染色体进化的重要机制。大倒位主要由非同源重组（NAHR）介导，这与鹿鼠的倒位模式一致，并且重复序列富集的区域更容易发生NAHR导致的结构变化。

综上，该研究组装得到高原鼢鼠染色体水平的高质量基因组，利用长读长测序数据评估了物种水平的变异，并且通过RNA-seq和报告基因检测证实了SV对低氧适应相关基因的影响。该研究还通过Hi-C分析高原鼢鼠和中华鼢鼠的染色质结构，发现三维基因组结构的进化也可能促进高海拔鼢鼠的低氧适应。 

兰州大学生态学院李克欣教授、刘建全教授和内布拉斯加大学Jay Storz教授为论文共同通讯作者。兰州大学生态学院博士生安绚、硕士生毛乐言、博士生王寅嘉、青海省人民医院徐芹芹为该论文共同第一作者。兰州大学生态学院李博文青年研究员、海法大学Eviatar Nevo教授等参与了本课题，该研究主要得到国家自然基金（32271691，32271691）、十四五国家重点研发计划（2021YFD1200901）、引智计划（G2022175009L）、甘肃省基础研究创新群体（21JR7RA533）的资助以及兰州大学超算中心提供的计算资源。

参考文献

An, X., Mao, L., Wang, Y. et al. Genomic structural variation is associated with hypoxia adaptation in high-altitude zokors. Nat Ecol Evol (2024). https://doi.org/10.1038/s41559-023-02275-7