Genomic signatures of evolutionary transitions from solitary to group living（独居到社会性的转变）

1、摘要

群居性的进化是进化的主要过渡之一，但其背后的基因组变化是未知的。我们比较了10种蜜蜂的基因组，它们的社会复杂性各不相同，代表了社会进化中的多种独立过渡，并报告了三项主要发现。

第一，许多重要的基因显示出中性进化的证据，这是随着社会复杂性的增加而放松选择的结果。

第二，没有单一的通往群居社会的路线图;社会性中的独立进化过渡具有独立的遗传基础。

第三，尽管这些转变在细节上明显独立，但它们确实具有类似的一般特征，包括受约束蛋白质进化的增加，伴随基因调控潜力的增加，以及转座因子多样性和丰度的减少

群居性可能每次都是通过不同的机制产生的，但可能总是涉及到基因网络复杂性的增加。

2、基本介绍

群居性的进化涉及到自然选择单元的变化，即从个体到群体。简单的群居性可能是兼性的(特许的)，也可能是专性的(义务的)，两种形式都由具有繁殖蚁后和一个或多个工蚁组成的团体，由于社会和营养的因素，这些工蚁放弃繁殖，共同照顾它们的兄弟姐妹，进一步的进化阐述导致了复杂的群居性，“超有机体”与几个古沙个体的群体，复杂的交流模式，以及劳动分工的形态专门化。蜜蜂进化了多次群居性进化，社会多样性极强。

关于群居性的理论：

1）简单群居性的进化涉及到祖先基因网络调节灵活性的增加，以创造专门的生殖和非生殖个体

2）复杂的真社会性的进化则需要遗传的新颖性来协调群体动力学的涌现性

Theory predicts that the evolution of simple eusociality involves increased regulatory flexibility of ancestral gene networks to create specialized reproductive and nonreproductive individuals, and the evolution of complex eusociality requires genetic novelty to coordinate emergent properties of group dynamics 

3、目的

为了验证这些理论，我们分析了来自三个科的10种蜜蜂的5个从头到尾和5个公开可用的基因组草图序列，代表了Apidae( 蜜蜂科)和Halictidae(集蜂科)中的两个独立的群居性起源,从简单到复杂的真社会性。

blue: ancestrally solitary;

green: facultative simple eusociality;

orange: obligate simple eusociality;

red: obligate complex eusociality.

4、结果

4.1 从独居到群体生活的转变与基因调控能力的增强有关

我们扫描了10个物种中5865个单拷贝同源基因的启动子区域来计算motif评分(表示具有经验特征的转录因子结合位点的数量和结合强度[TFBSs])，利用188个黑腹果蝇TE（在10只蜜蜂中，每个至少有1个直接同源），并使用系统遗传学独立的对比，将motif评分与社会复杂性相关联。结果显示在2,101对显著相关的motif-gene对中，89%为正相关，11%为负相关，说明相对于独居的蜜蜂，全社会型蜜蜂的TFs调节基因的能力更强

4.2、进一步的证据表明，在整个社会进化过程中，基因整合能力的增加是社会复杂性和被甲基化的基因数量之间呈正相关

DNA甲基化以多种方式影响基因表达。因此，这一结果表明，随着复杂的社会关系，调控能力在扩大。

4.3、蛋白质编码水平上调控能力的潜力增加

社会复杂性的增加也与参与协调基因调控的基因的快速进化有关。对5865个单拷贝同源基因进行贝叶斯系统遗传协方差分析，发现162个基因在社会复杂性行为增加的物种中进化速度加快(tableS3)。GO富集分析显示这些基因与转录调控、RNA剪接、核糖体结构和翻译的调控有关(tableS11、tableS12)。在群居性越来越复杂的物种中，大约三分之二的这些基因处于更强的定向选择(directional selection)之下。但同时还发现了非适应性进化，三分之一快速进化的基因处于放松的净化选择状态（under  relaxed purifying selection），可能是由于有效种群数量减少。

除此之外，还发现了另外109个基因，这些基因GO富集（p<0.05）显示在与蛋白质运输和神经发生相关的功能方面显著相关（tableS3、tableS13），这些基因在群居性越来越复杂的物种中，进化速率变慢。在人类和蜜蜂大脑中表达的基因也有类似的进化速度降低的情况，这可能是由于复杂基因网络中的多效性约束增加所致。神经和内分泌相关基因的限制性蛋白进化似乎与复杂性的进化不一致，这种约束可能被基因调控能力增强所补偿。

4.4 顺式调控元件

接下来，我们研究了这些在独立社会转型的早期(兼性和专性的简单群居性)和晚期(复杂群居性)中分子进化模式是否涉及类似的基因集和顺式调控元件。我们鉴定了1526个具有进化速率的“社会基因”在编码序列和启动子区域上的谱系特异性差异(dN/dS)在两个独立的起源和两个独立的群居性的阐述中随着社会复杂性的增加而变快或变慢。在这些谱系特异性的社会基因中，我们发现了顺式调控进化的常见模式:基因启动子中TFBS的增加随着社会复杂性的增加而演变得越来越慢（下图阴影格）。

we found common patterns of cis-regulatory evolution: gains of TFBSs in the promoters of genes that evolve slower with increasing social complexity

(solid)：evolving faster

(hatched)：slower

这表明，独立起源的共同特征和对社会性苦心经营的成果越来越多地限制了蛋白质的进化，并且新基因表达模式的潜力越来越大。 尽管我们的分析仅限于高度保守的TF，但负责这种模式的TF对于每个社会转变都是不同的（表1）。 几种在神经发生，神经可塑性中起作用，或者是蜜蜂中内分泌介导的脑基因表达的显着调节剂。

4.5 社会基因集

我们发现，在快速进化的“社会基因”本身之间，存在着进一步的谱系特异性差异。群居起源基因发生加速进化，与信号传递相关的GO term中在Apidae和Halictidae中均显著富集，但它们仅共享6个基因。信号转导通路的快速进化可能是所有群居起源中介导细胞内对新的社会和环境刺激反应的必要步骤，但在每个独立的转导中，选择似乎针对这些通路的不同部分。需要对这些基因进行特异性表达和其他分析，以确定它们在群居性中的功能。

随着复杂群居性的精化，表现出快速进化特征的基因在蜜蜂和无刺蜜蜂之间也高度分散，只有43个共享基因，没有共享的富集GO项。此外，在5865例单拷贝直系同源基因中，只有2例显示出趋同进化的特征，即拟合了一个基于社会复杂性的树状图，该树状图的拟合明显优于公认的单拷贝基因系统发育。类似地，主要蜂王浆蛋白基因家族、性别决定基因、气味受体和脂质代谢的内旋基因家族在一些复杂群居蜜蜂的谱系中有所扩张，但并非全部。这些结果表明，基因家族的扩张与预测的复杂群居性有关，但每一种情况都涉及不同的基因。尽管超级有机体之间的社会特征具有显著的趋同性，但向这一生物组织水平转化的最后阶段不一定涉及共同的分子途径。

随着自然选择的水平从个体上升到群体，进化的主要转变包括冲突的减少。将此扩展到基因组内冲突可以解释我们发现转座因子(TEs)的多样性和丰度随着社会复杂性的增加而降低。

这可能是高度社会性昆虫重组率增加的结果，或者因为复杂的社交性的关键特征导致对水平传播TE的寄生虫和病原体的暴露减少。 因此，蜜蜂的社会性可以提供针对某些类型的基因组内冲突的天然免疫力。

5、结论

我们的结果表明基因调控的变化是生物组织进化过渡的关键特征，我们的研究结果进一步揭示了从独居到群体生活的多次独立过渡的早期和晚期所共有的趋同适应和非适应进化过程。现在很清楚，存在与蜜蜂的独立社会性独立起源相关的谱系特异性遗传变化，以及蜜蜂和蚂蚁中对社会性的独立阐述。这包括不同的基因集，这些基因在不同物种间表现出有社会地位的表达，正如我们所展示的，TEs的进化修饰、基因甲基化和与定义群居性的生活史特征相关的顺式调控模式。这表明，如果有可能的话“回放生命”，群居性可能每次都是通过不同的机制产生的，但可能总是涉及到基因网络复杂性的增加。