四倍体爪蟾

四倍体爪蟾（英文：Xenopus tetraploids）特指非洲爪蟾属（Xenopus）中，因经历全基因组重复（Whole-genome duplication, WGD）事件而拥有四套染色体组的物种及其实验品系。它们是研究多倍化（Polyploidization）和基因组进化的重要模式生物。其中，非洲爪蟾（Xenopus laevis）是最著名和研究最深入的四倍体代表。

概述与进化起源

非洲爪蟾属的进化历史中至少发生了一次古老的全基因组复制事件。约在1千8百万年前，其二倍体祖先的整个基因组发生了一次复制，导致染色体数目加倍，形成了现存四倍体物种的奠基者。

• 基因组结构：非洲爪蟾（X. laevis）拥有36条染色体（2n=36），但其基因组分析显示，它本质上是一个古四倍体（Paleotetraploid），即许多基因座位存在两个同源拷贝（称为亚基因组同源物，Subgenome homeologs）。

• 二倍体化：在基因组复制后，经历了漫长的“二倍体化”过程，即通过基因丢失、功能分化或沉默，使四倍体基因组的行为逐渐趋近于二倍体，但大量重复基因的痕迹依然存在。

主要物种与特点

1. 非洲爪蟾（Xenopus laevis）：

   • 经典的发育生物学和细胞生物学模型生物。

   • 体型较大，卵母细胞和胚胎体积大，易于进行显微操作和显微注射。

   • 其四倍体基因组导致许多基因存在两个拷贝，在进行基因功能研究（如基因敲除）时需同时靶向两个同源位点，增加了遗传操作的复杂性。

2. 热带爪蟾（Xenopus tropicalis）：

   • 作为对照，是非洲爪蟾属中真正的二倍体物种（2n=20），基因组较小且注释更完整。

   • 常与四倍体的非洲爪蟾进行比较研究，以解析多倍化带来的基因组和表型变化。

作为研究模型的意义

四倍体爪蟾为多个生物学领域提供了独特的研究视角：

1. 多倍体进化与基因组命运：研究全基因组复制后，重复基因的命运（如新功能化、亚功能化或假基因化），以及亚基因组之间的相互作用和 dominance。

2. 发育生物学：是胚胎发育研究的黄金标准模型之一，其大胚胎便于观察和操作，为细胞命运决定、图案形成和组织器官发育提供了大量基础知识。

3. 功能基因组学与疾病模型：通过CRISPR/Cas9等基因编辑技术，可用于模拟人类由多拷贝基因或剂量敏感基因引起的疾病。

4. 表观遗传学：研究在多倍体背景下，基因表达调控和染色质状态如何协调两个亚基因组。

与二倍体爪蟾的比较

参考文献

1. Session, A. M., et al. (2016). Genome evolution in the allotetraploid frog Xenopus laevis. Nature, 538(7625), 336–343. （首次报道了非洲爪蟾高质量基因组图谱，揭示了其异源四倍体起源和亚基因组进化）

2. Kobel, H. R., & Du Pasquier, L. (1986). Genetics of polyploid Xenopus. Trends in Genetics, 2, 310–315. （早期关于爪蟾多倍体遗传学的经典综述）

3. Harland, R. M., & Grainger, R. M. (2011). Xenopus research: metamorphosed by genetics and genomics. Trends in Genetics, 27(12), 507–515. （综述了遗传学和基因组学如何变革了爪蟾研究）

4. Hellsten, U., et al. (2010). The genome of the Western clawed frog Xenopus tropicalis. Science, 328(5978), 633–636. （报道了二倍体热带爪蟾的基因组，为比较研究奠定基础）

5. Marsh-Armstrong, N., et al. (2021). The Xenopus model for genome duplication and polyploidization in vertebrates. In: “Polyploidy: Methods and Protocols.” Humana, New York, NY. （详细介绍了爪蟾作为多倍体研究模型的方法与原理）