獼猴屬的食蟹猴（Macaca fascicularis）和恒河猴（Macaca mulatta）是最常用的非人靈長類實驗動物，因其與人類具有較近的親緣關(guān)系（約 2500 萬年前分化），而被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)和人類演化研究，尤其在人類特有性狀形成、疾病模型及藥物代謝等領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有的參考基因組仍存在大量未知序列，特別是著絲粒、片段重復(fù)（segmental duplications，SD）和核糖體 DNA（rDNA）區(qū)域，這限制了對靈長類演化機制及其生物醫(yī)學(xué)價值的深入探索。
2025 年 2 月 26 日，上海交通大學(xué)毛亞飛課題組與中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）孫強課題組合作，在 Nature 期刊發(fā)表了題為：Integrated analysis of the complete sequence of a macaque genome 的研究論文。
該研究首次完成了非人靈長類的端粒到端粒（telomere-to-telomere，T2T）完整基因組組裝，系統(tǒng)解析了獼猴屬與人類的大尺度基因組差異，并以 FOLH1 基因家族為關(guān)鍵案例，解釋結(jié)構(gòu)變異如何通過三維基因組重構(gòu)調(diào)控腦細胞類型特異性表達。除此之外，該項研究還揭示了獼猴屬種間分化的遺傳學(xué)特征，為非人靈長類生物醫(yī)學(xué)模型奠定了關(guān)鍵遺傳基礎(chǔ)。
1、填補復(fù)雜區(qū)域空白
傳統(tǒng)基因組組裝技術(shù)因讀長短、錯誤率高，難以跨越復(fù)雜重復(fù)區(qū)域，導(dǎo)致基因組中存在大量缺口。這些缺口多位于基因組復(fù)雜結(jié)構(gòu)區(qū)域（著絲粒、SD 和 rDNA 等），而這些區(qū)域恰恰是基因組結(jié)構(gòu)和功能的重要部分，涉及染色體的穩(wěn)定性、基因表達調(diào)控以及染色體的重排等生物學(xué)過程。
為了解決這一難題，研究團隊首先構(gòu)建了食蟹猴孤雌生殖胚胎干細胞系（MFA582-1）。孤雌生殖細胞系具有兩套染色體遺傳信息近乎純合的特性，是構(gòu)建參考基因組的理想材料。在此基礎(chǔ)上，團隊利用自主開發(fā)的基于特有 k-mer 標(biāo)記的分型迭代替換局部組裝工具，成功解決了現(xiàn)有組裝軟件未能或錯誤組裝的上百個復(fù)雜結(jié)構(gòu)區(qū)域，最終構(gòu)建食蟹猴 T2T 基因組 T2T-MFA8v1.1。該基因組全長 3.06 Gbp，QV 達到 71.27，NG50 為 162.13 Mbp，與人類基因組 T2T-CHM13v2.0 的水平相當(dāng)，成為首個非人靈長類完整參考基因組，為深入理解復(fù)雜基因組區(qū)域提供了重要工具。研究團隊發(fā)現(xiàn)：
● SD 分布模式的特異性：食蟹猴的 SD 總長 122.51 Mbp，較人類（227.36 Mbp）減少 46%，且更富集于亞端粒區(qū)（人類偏向近著絲粒區(qū)）。這種分布差異可能驅(qū)動靈長類基因組重塑的方向性。
● rDNA 分布：食蟹猴的 rDNA 僅定位于 10 號染色體，而在人類基因組中，rDNA 分布于 5 條近端著絲粒染色體（chr13、chr14、chr15、chr21、chr22）。這一差異為人類近端著絲粒染色體的形成及人類疾病 21-三體綜合征的演化醫(yī)學(xué)機制提供了新的解釋。
● 著絲粒結(jié)構(gòu)演化：食蟹猴著絲粒由 SF7 家族 α-衛(wèi)星主導(dǎo)，平均長度較人類長 3.83 倍（如 chr15 達 13.88 Mbp），并保留與靈長類祖先共存的古老 SF8-SF13 序列層，揭示了獼猴屬存在新著絲粒形成的獨特演化機制。
2、人類與獼猴屬大尺度結(jié)構(gòu)變異導(dǎo)致的基因組差異
基因組的大尺度結(jié)構(gòu)變異（如倒位、易位）能夠改變?nèi)旧|(zhì)三維折疊，進而影響基因表達模式。然而，人類與獼猴屬之間的大尺度基因組結(jié)構(gòu)變異尚未得到全面解析，且這些結(jié)構(gòu)變異在靈長類演化過程中的功能效應(yīng)仍缺乏系統(tǒng)性的證據(jù)支持。
為解決這一問題，研究團隊優(yōu)化了結(jié)構(gòu)變異鑒定方法，共鑒定出 93 個人類與獼猴屬之間的固定結(jié)構(gòu)變異，其中包括78 個倒位、11 個著絲粒重定位和 4 個染色體內(nèi)易位，其中 21 個結(jié)構(gòu)變異為首次報道（圖2）。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在靈長類腦演化過程中，超過 400 個基因可能因相關(guān)結(jié)構(gòu)變異而發(fā)生腦細胞類群的表達差異。以 FOLH1 基因為例，其編碼的谷氨酸羧肽酶II（GCPII）在神經(jīng)系統(tǒng)的谷氨酸調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用，基因突變與智力障礙密切相關(guān)。在獼猴屬中，F(xiàn)OLH1 基因為單拷貝，而在人類中，則包含 FOLH1 和 FOLH1B（與獼猴 FOLH1 直系同源）兩個拷貝。人類的 FOLH1 基因在少突膠質(zhì)細胞中高表達，而 FOLH1B 基因在大腦不同細胞類群中幾乎不表達，與獼猴屬 FOLH1 在多個細胞類群中廣泛表達的模式存在顯著差異。為了揭示這種差異的成因，研究團隊整合了單細胞多組學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在人類與獼猴屬的演化過程中，人類 FOLH1B 調(diào)控區(qū)的一個 1.4 kbp 片段特異性地丟失，導(dǎo)致了其在腦內(nèi)無法表達而“假基因化”。同時，人類的 FOLH1 基因由于重復(fù)事件的發(fā)生，導(dǎo)致了染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的重塑，進而改變了其細胞類群表達模式。這一研究為結(jié)構(gòu)變異在演化過程中如何影響細胞類型特異性表達模式提供了新的見解，特別是在闡明譜系特異性表型的形成及人類疾病的發(fā)生機制解析上具有重要的科學(xué)意義。
3、食蟹猴與恒河猴間從序列到表型的種間遺傳分化
食蟹猴與恒河猴雖同屬于獼猴屬，但在形態(tài)學(xué)特征、行為模式及疾病易感性等方面均存在顯著差異。然而，這些表型差異背后的遺傳基礎(chǔ)一直未得到充分闡明，從而嚴重制約了這兩個物種在生物醫(yī)學(xué)模型中的應(yīng)用潛力。
研究團隊通過泛基因組圖等手段，鑒定了 240 Mbp 的物種間復(fù)雜結(jié)構(gòu)差異區(qū)域，涵蓋 Mafa-AG/B、CYP2C76 及 GSTM 等基因家族。其中，恒河猴 CYP2C76（猴特異性細胞色素 P450 酶基因）呈現(xiàn) 4 種結(jié)構(gòu)單倍型，而食蟹猴僅保留 2 種，這可能反映了兩個物種之間的代謝差異。此外，研究團隊鑒定出16.76 Mbp的食蟹猴與恒河猴遺傳分化區(qū)域（genetic differentiation regions），發(fā)現(xiàn)兩物種間的固定遺傳差異在調(diào)控元件中出現(xiàn)了 9.43 倍富集，其中包括可能影響尾巴長度的 HOXD13 基因。這一發(fā)現(xiàn)與食蟹猴尾巴顯著長于恒河猴的表型特征相吻合。此外，該發(fā)現(xiàn)也與鹿鼠尾巴適應(yīng)性演化的研究形成了趨同演化案例，為揭示哺乳動物尾巴形態(tài)多樣性的遺傳機制提供了新的視角。
總體而言，該研究通過研發(fā)新型計算工具實現(xiàn)非人靈長類 T2T 完整基因組組裝，系統(tǒng)闡明了獼猴屬與人類在基因組結(jié)構(gòu)層面的演化差異，不僅揭示了結(jié)構(gòu)變異通過三維基因組重構(gòu)調(diào)控和調(diào)控元件改變等影響基因表達的細胞類型特異性，還深入解析了獼猴屬種間分化的遺傳學(xué)基礎(chǔ)，為獼猴生物醫(yī)學(xué)模型奠定了堅實的遺傳基礎(chǔ)。該研究深化了我們對靈長類演化醫(yī)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)模型和譜系特異性適應(yīng)的理解。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41589-025-01849-9
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