Cell Research：李海鹏团队揭示决定动物社会阶层形成的关键机制

社会阶层存在于许多动物中，我们最熟悉的莫过于蚂蚁和蜜蜂。蜂王和工蜂所携带的遗传物质是相同的，但在形态、生理与行为上有着明确的分化，这背后的遗传机制正逐步被揭开。然而，对于羊膜动物（包括哺乳类和鸟类），目前还不清楚哪些遗传学改变导致了社会阶层的形成。

近日，中科院上海营养与健康研究所的李海鹏研究组在《Cell Research》杂志上发表文章，首次发现了对羊膜动物社会阶层形成极其关键的PAS1-Lhx2 体系，揭示了演化过程中羊膜动物的社会性、社会阶层的形成机制。

PAS的全基因组筛选

胎盘哺乳动物的祖先外表与鼩鼱相似，据推测应为独居生活，而现在胎盘哺乳动物中则有着丰富的社会形态。因此，在胎盘哺乳动物形成阶段很可能存在由独居到社会性生活的转变。同时，祖先谱系中一些加速进化的序列可能参与了社会阶层的调节，即存在正选择（即适应性进化）的作用。

为了搜索胎盘加速序列（PAS），研究团队开发出一种新的检测正选择方法及相应软件“功夫熊猫（KFP）”。KFP软件能够快速可靠地筛选整个多基因组比对（包括非保守和保守序列），并精确找到加速区域。

研究人员构建了16种羊膜动物的系统发育树，并确定了每个分支的长度。全基因组扫描结果显示，加速进化最显著的区域位于LIM同源框2（Lhx2） 基因上游的非编码区，长度约为700bp。他们将之命名为PAS1（P = 3.15 × 10⁻¹⁸），KFP方法也在基因组上精确定位了PAS1。

PAS1在胚胎神经系统中发挥增强子活性

之后，研究人员分析了PAS1的增强子活性。在小鼠的大脑样本中，PAS1的正义链和反义链均发现了CAGE的信号，表明PAS1具有增强子活性。同时，他们还在小鼠胚胎大脑中发现了PAS1的H3K4me1、H3K27ac和DNase I超敏信号，而这些信号在成年小鼠大脑中非常低或几乎消失，表明PAS1在小鼠胚胎大脑中具有增强子活性（图1）。

他们接着进行了细胞水平分析，在小鼠神经母细胞瘤细胞系（Neuro2A）中开展实验。与基础表达水平相比，来自几种代表性胎盘哺乳动物（人、小鼠和牛）的PAS1将荧光素酶报告基因Luc2P的表达提高了5倍以上。后续的转基因小鼠胚胎和转基因鸡胚的结果也表明，PAS1在胚胎神经系统中发挥增强子活性。

图1. PAS1对Neuro2A和胚胎神经系统中报告基因表达的影响。

PAS1作为胚胎神经系统中Lhx2的增强子

为了进一步研究PAS1的功能，研究人员委托赛业生物等公司，通过C57BL/6小鼠胚胎干细胞中的同源重组制备了三种小鼠品系，分别是PAS1^c（鸡PAS1敲入）、PAS1^w（小袋鼠PAS1敲入）和PAS1^-（PAS1敲除）。

高分辨率染色体构象捕获（Hi-C）数据显示，PAS1与Lhx2的转录起始位点之间存在相互作用。PAS1的CAGE读数与Lhx2的CAGE读数之间存在正相关。多个证据表明，PAS1是参与大脑发育的转录因子Lhx2基因的增强子。

之后，研究人员通过RT-qPCR确定了PAS1^−/−、PAS1^w/w和PAS1^c/c小鼠品系的原始鼻、脊髓和后脑中Lhx2的表达水平。与野生型PAS1^m/m小鼠胚胎相比，所有三个纯合突变品系的E11.5小鼠胚胎的原始后脑和脊髓中Lhx2的表达水平都普遍降低（图2）。后续的CUBIC和免疫染色实验结果也证明了这一点。这些结果表明，不同物种来源的PAS1能够差异性调节Lhx2基因的表达。

图2. 不同来源的PAS1对胚胎神经系统中Lhx2表达的影响。

PAS1调节小鼠社会阶层的形成

研究人员随后开展了管型社会支配实验（social dominance tube test），以评估带有不同PAS1等位基因的小鼠的支配趋势。实验是通过观察和记录圆柱形管道里两只老鼠分别成功抢占“公共地带”的次数等参数，来反映其社会优势地位及社会等级地位（图3）。

他们发现，在敲除PAS1之后，小鼠完全丧失了形成社会阶层的能力，揭示PAS1是形成社会阶层所必需的。PAS1敲入小鼠模型则表明，PAS1决定了成年小鼠的社会主导地位和从属地位，而且突变的PAS1甚至可以改变社会地位。

图3. PAS1对成年雄性小鼠的社会阶层的调节。

总而言之，这项研究首次揭示了羊膜动物的社会阶层是如何通过演化实现的。Lhx2的增强子PAS1调节了羊膜动物的社会阶层，而PAS1的加速进化塑造了许多胎盘哺乳动物的社会阶层。该研究也从另一个侧面表明正选择理论、遗传学、发育生物学和神经生物学相结合是非常重要的。（生物通 薄荷）

原文检索：

Wang, Y., Dai, G., Gu, Z. et al. Accelerated evolution of an Lhx2 enhancer shapes mammalian social hierarchies. Cell Res 30, 408–420 (2020). https://doi.org/10.1038/s41422-020-0308-7