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毛发的形成是哺乳动物进化史上一个重要的革新。海洋哺乳动物(如鲸类、鳍足类和海牛类)是哺乳动物进化史上的特殊类群,它们各自的陆生祖先重返海洋,生活史的全部或部分生活在海洋环境中。完全水生生活的鲸类和海牛类毛发退化,而水陆两栖的鳍足类毛发部分丢失或者依然保留着短而密的毛发。然而,海洋哺乳动物毛发多样的遗传基础仍不清楚。本研究以毛发的主要成分a-角蛋白(α-keratin)和角蛋白相关蛋白(keratin-associated-protein,KRTAP)2个基因家族为候选基因,从10个海洋哺乳哺乳动物(7个鲸类、2个鳍足类和1个海牛物种)和5个陆生哺乳动物的基因组中扫描鉴定候选基因家族的所有基因,通过比较基因组学、生物信息学和分子进化分析,以期探讨海洋哺乳动物毛发进化的分子机制。分析结果表明,完全水生的鲸类平均α-keratin和KRTAP基因数目明显低于其近缘的陆生偶蹄类动物(α-keratin:37.29 vs.58.67;KRTAP:51.7 vs.119.4),而平均假基因比率显著高于偶蹄类动物(α-keratin:29.89%vs.8.52%;KRTAP:68.5%vs.32.7%),其中鲸类毛囊特异性角蛋白基因丢失最为严重(平均假基因比率:鲸类44.33%vs.偶蹄类3.80%),推测这可能与鲸类无毛的表型有关。此外,与齿鲸相比,须鲸保留了较多的α-keratin和KRTAP基因,可能与其具有角质化的鲸须有关。然而,营半水生生活的鳍足类动物平均α-keratin和KRTAP基因数目和假基因比率与近缘陆生哺乳动物相当,可能与鳍足类动物需要保留毛发保暖以到陆地上产仔、哺乳、育儿等有关。而完全营水生生活的海牛,体表基本无毛,仅嘴唇周围有须,头部有触毛来感觉和摄食,相应地,我们发现海牛具有与其近缘的大象相当的α-keratin基因数目和假基因比率,但KRTAP基因数目显著少于大象(海牛81 vs.大象112)、假基因比率显著高于大象(海牛41.98%vs.大象20%)。更有趣的是,完全水生生活的鲸类和海牛具有共有的基因家族功能丢失,包括α-keratin基因亚家族的K9、K39、K42、K74和KRTAP9,并且与近缘的陆生祖先相比,这两个类群的KRTAP基因数目显著减少、假基因比率增高,推测为了适应完全的水生生活,鲸类和海牛产生了趋同的无毛表型的分子适应机制。本研究基于α-keratin和KRTAP基因家族的进化分析全面地揭示了海洋哺乳动物毛发的进化遗传学机制,为我们深刻理解海洋哺乳动物二次入水及水生生境适应的进化机制奠定了基础。