海洋哺乳动物（如鲸类、海牛类和鳍足类）是哺乳动物进化史上的特殊类群,为适应与陆地截然不同的水生环境,进化出独特的睡眠模式。完全水生生活的鲸类具有典型的单半球慢波睡眠（unihemispheric slow-wave sleep,USWS）,即一侧大脑半球进入慢波睡眠（slow-wave sleep,SWS）状态,另一侧大脑半球则保持清醒,且快速眼动（rapid-eye-movement,REM）睡眠缺失;然而,完全水生生活的海牛睡眠模式与鲸类又不完全相同,它不仅具有与鲸类一样的USWS,也具有与陆生哺乳动物类似的两个大脑半球同步的慢波睡眠（bihemispheric slow-wave sleep,BSWS）和REM睡眠。营半水生生活的鳍足类的睡眠模式与海牛类似,具备USWS、BSWS和REM。迄今为止,海洋哺乳动物独特的睡眠模式的遗传学基础尚不清楚。鉴于此,本研究选择了8个与睡眠相关的生物钟基因（Bmal1、Clock、Cry1、Cry2、Npas2、Per1、Per2和Per3）,通过在鲸类代表性物种中扩增获得生物钟基因编码序列,与其他海洋哺乳动物和近缘的陆生哺乳动物的同源基因序列进行比较基因组学和生物信息学分析,探讨以下三个科学问题:1)生物钟基因的正选择是否限制在具有独特的USWS的海洋哺乳动物支系中?2)生物钟基因的进化速率是否与独特的USWS显著相关?3)海洋哺乳动物USWS的睡眠模式是否存在分子趋同?本研究运用基于最大似然法（Maximum Likelihood,ML）的3种模型,即PAML中的位点模型（Site model）、Datamonkey中的FEL和REL模型检测选择压力,结果表明鲸类在6个生物钟基因（Clock,Cry1,Cry2,Per1,Per2和Per3）中显著受正选择,且至少被2种ML方法鉴定的正选择位点有51个。同时TreeSAAP分析发现,96.1%（49/51）的正选择位点发生了激进的氨基酸性质的改变,多数正选择位点位于或接近蛋白重要功能域,提示这6个生物钟基因在鲸类中发生了适应性进化。为了进一步探讨正选择发生在哪些进化谱系,本研究运用支模型（Branch model）,包含 Free-ratio 模型和 Two-ratio 模型。Free-ratio模型在Clock、Npas2、Per1、Per2和Per3基因中检测到显著的正选择信号,且主要集中在仅具有独特的USWS睡眠模式的鲸类谱系中;Two-ratio模型在Bmal1、Per2和Per3基因中检测到显著的正选择,且全部集中鲸类物种中。此外,为了探究生物钟基因的进化与哺乳动物睡眠之间的关系,本研究进行了生物钟基因的进化速率（root-to-tip ω）和慢波睡眠占总睡眠的比例（percentages of slow-wave sleep relative to total sleep time,SWS/TST）的相关性分析。相关性分析结果表明Cry1和Per1基因的进化速率与SWS/TST显著正相关,提示这两个基因进化与海洋哺乳动物独特的USWS睡眠模式密切相关。最后,为了探讨海洋哺乳动物USWS是否存在分子趋同的进化机制,本研究运用PAML软件重构各类群的最近共同祖先序列,之后用本实验室编写的脚本查找平行/趋同的进化位点。鲸类、海牛和海象三个类群在6个生物钟基因（Clock、Cry2、Npas2、Per1、Per2和Per3）中共鉴定了 80个趋同/平行的氨基酸替代位点,提示这三个类群为适应海洋环境,其USWS睡眠模式具有趋同的分子机制。本研究基于40个哺乳动物的8个生物钟基因的克隆和生物信息学分析,初步揭示了海洋哺乳动物睡眠进化的遗传学机制,为更深入探讨海洋哺乳动物的水生适应提供重要的分子证据。