染色体断裂与融合在动物演化历史中普遍存在，已在鱼类、爬行动物、鸟类、小鼠以及部分穴居哺乳动物中均有报道。作为塑造物种多样性的重要遗传机制，染色体数目变化通过重塑基因组结构深刻影响着生物多样化的演化。然而，其发生的分子机制及在物种形成中的作用仍不甚清楚。

9月5日，兰州大学生态学院李克欣教授与刘建全教授团队在国际知名学术期刊《Science Advances》发表了题为“Aplf/Dna2 variants drive chromosomal fission and accelerate speciation in zokors”研究论文。这是自2024年相继在Nat Ecol & Evo和PNAS发表研究结果以来取得的又一重要进展。该研究以平颅鼢鼠属姐妹种为研究对象，系统揭示了DNA修复缺陷与端粒酶活化关键基因的等位变异，如何导致祖先染色体断裂为两条新染色体的分子机制，并阐明了染色体断裂在姊妹物种分化过程中减少基因流的重要作用。

图1. 研究结果概览图

鼢鼠是生活于中国北方封闭地下洞穴中的啮齿动物，其缺氧生境可能会对DNA造成损伤，因而进化出了较强的DNA修复能力，这一特性对缓解氧化损伤至关重要。在鼢鼠亚科平颅鼢鼠属中，草原鼢鼠（Myospalax aspalax, 2n=62）与东北鼢鼠（Myospalax psilurus, 2n=64）为姐妹种，主要分布于中国东北，有小部分栖息地重叠。两个物种不同的染色体数目提示它们之间可能发生了染色体断裂或融合事件。为探究其演化机制，研究团队组装了两个鼢鼠属物种的高质量染色体水平基因组，并利用WGDI方法重建了祖先核型，通过染色体演化过程确认东北鼢鼠中发生了一次着丝粒断裂事件，即草原鼢鼠的1号染色体在着丝粒处断裂，形成了东北鼢鼠中的1号和32号两条端着丝粒染色体。

图2. 鼢鼠研究对象与染色体断裂事件鉴定

鼢鼠亚科的物种在东北鼢鼠染色体断裂的断点处发生多次染色体重排，但唯有东北鼢鼠在该位点断裂为两条染色体，这预示着染色体断裂可能跟DNA修复相关。转录组分析显示，Aplf基因在东北鼢鼠的多种组织呈现系统性显著上调。进一步全长转录本分析（Iso-Seq）揭示，东北鼢鼠的Aplf存在外显子跳跃现象。研究人员确认，六号外显子的剪切增强子元件上的单点突变导致了外显子跳跃，引发移码突变并产生提前终止密码子。为了验证其生物学意义，研究团队利用CRISPR-Cas9技术构建了Aplf敲除的细胞模型。实验发现，敲除Aplf的细胞在相同条件下出现了更多的γH2AX信号-这是DNA损伤的典型标志，表明Aplf缺失显著削弱了细胞的DNA修复能力。

图3. 东北鼢鼠Aplf基因异常及DNA修复功能受损

研究团队还在东北鼢鼠Dna2基因的内含子区域发现了一段1,130 bp的固定缺失。双荧光素酶实验结果表明，这一缺失会显著降低Dna2的转录活性，从而提升端粒酶活性，推动新端粒的形成。与此同时，染色体断裂发生的区域富含中间端粒序列，为新端粒的延伸提供了天然的“种子”。更为关键的是，尽管断裂产生的小片段通常容易丢失，但在东北鼢鼠中，这一片段却得以保留，因为这段序列包含了Actb和Egln1等重要基因，这些基因不仅维持细胞基本功能，还与低氧环境适应密切相关。进一步研究发现，该片段受到更强烈的选择作用，提示染色体断裂所带来的新片段并非偶然存在，而是通过正向选择在种群中逐渐固定并扩散。这一发现揭示了染色体断裂如何在进化过程中转化为推动物姊妹种分化的动力。

图4. 东北鼢鼠Dna2与Fan1的基因组结构变异

群体遗传学分析发现：在整条染色体范围内，基因交流明显减少，遗传分化增加。这意味着染色体断裂可能推动种群分化，加速物种形成。

图5. 染色体断裂对基因流、重组率及种群分化的影响

进一步的群体历史分析还显示，草原鼢鼠与东北鼢鼠经历了二次接触，提示早期地理隔离是分化的关键驱动力，而染色体断裂事件则在这一过程中加速了分化进程。

图6. 种群分化与群体历史

研究团队通过综合比较基因组学、功能实验和群体遗传学的多重证据，首次揭示了鼢鼠属内染色体断裂的分子机制，并指出地理隔离与染色体断裂在物种形成过程中可能存在协同作用。这一成果不仅揭示了动物染色体断裂的分子机制，也为理解染色体数目变化如何加速物种形成提供了新视角。未来，科研人员还将进一步检验类似机制是否普遍存在于更多生物类群中。

论文的第一作者为博士研究生万娜，李克欣教授和刘建全教授为共同通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金（32271691）、中央高校优秀博士研究生基础科研项目（lzujbky-2024-it39）、甘肃省科技计划项目（24JRRA514）的资助，并依托兰州大学超算中心提供的计算支持。