脊椎动物串接复制基因的比较基因组学分析

摘要

基因复制是物种进化的一个基本过程。基因可以通过全基因组复制、串接复制、片段复制及基因转座等方式产生两个或多个拷贝。复制基因为生物体适应外部环境提供了大量的遗传物质，这些新产生的基因会经历新功能化、亚功能化或者去功能化的不同命运。所以说，基因复制是基因组进化最主要的驱动力之一，是产生新功能基因和进化出新物种的重要过程。
　　在上述各种复制方式中，串接复制和全基因组复制是两种主要的复制形式。虽然已有大量的研究探讨了动植物不同类群中的全基因组复制事件，但迄今为止，对串接复制基因的研究大多集中在个别的串接复制基因或者家族，而缺乏在全基因组水平上的认识。随着基因组数据的不断积累，比较基因组学作为一种重要的工具学科目前己经成为研究生物基因组最主要的手段之一。根据序列相似性和位置关系确定出各物种复制基因的类型和数目，通过比较基因组学分析，将不同类群物种的串接复制基因进行比较，有助于确定串接复制基因的产生与物种适应性进化之间的关系。因此，本研究全面分析了以下23种不同进化地位脊椎动物的串接复制基因：人，大猩猩，猩猩，小鼠，大鼠，豚鼠，原鸡，火鸡，斑胸草雀，安乐蜥，非洲爪蟾，腔棘鱼，斑点雀鳝，斑马鱼，墨西哥脂鲤，斑点叉尾鮰，南方鲇，新月鱼，三刺棘鱼，青鳉，尼罗罗非鱼，黑青斑河鲀，红鳍东方鲀，比较了各物种之间串接复制基因种类和数目的异同，以尼罗罗非鱼和南方鲇为例分析了串接复制基因的功能及组织表达模式，并对一些典型的串接复制基因做了进一步分析，得到以下结果：
　　从数据库获取23种脊椎动物的基因注释信息，去掉长度小于25个氨基酸的基因注释，分别获取每个基因所对应最长的氨基酸序列以及各物种基因的染色体定位信息。使用Blast+工具和MCScanX分别进行序列比对及共线性分析，将各物种基因分为以下五种类型：Singleton（单拷贝基因）；WGD/segmental（在共线性区域的共线性基因）；tandem（串接复制基因）；proximal（同一染色体附近但不相邻的复制基因）；dispersed（其它复制基因）。23种脊椎动物的串接复制基因占全部基因数的平均比例为10.6％，占全部复制基因数的平均比例为13.5%。在哺乳动物中，两者的比例分别为15.3%和19.9%；鸟类为7.7%和10.1%；鱼类为8.7%和10.8%。哺乳动物中，小鼠的串接复制基因最多，共4833个；鱼类中，斑马鱼的串接复制基因最多，共3955个。串接复制基因所形成的基因簇中，含有2个串接复制基因的基因簇比例最高，从小鼠的55.7%到红鳍东方鲀的87.1%不等。在多数的脊椎动物中，嗅觉受体（Or, olfactory receptor）和原钙粘连素（Pcdh, protocadherin）基因均串接复制了10次以上（含10次）。有意思的是，角蛋白（Krt, keratin）基因只在四足动物中普遍串接复制了10次以上，而在鱼类中则是晶状体蛋白（Crygm, crystallin gamma）基因。其他串接复制了10次以上的基因并没有一定的规律，如微量胺相关受体（Taar, trace amine associated receptor）和趋化因子受体（Cxcr, c-c chemokine receptor）基因均只在四足类和鱼类的部分类群发生了10次以上的串接复制。上述结果表明，串接复制基因的数目和类型可能与类群或物种对环境的适应性相关。
　　根据序列的相似性，本研究将23种脊椎动物的串接复制基因分成了2045个不同的基因家族。韦恩图显示遗传距离越近的物种具有越多共同的串接复制基因家族，表明串接复制基因并不是完全随机的，可以在一定程度上反映物种的进化关系。GO富集分析显示真骨鱼类共同的串接复制基因与四足动物共同的串接复制基因在生物过程和分子功能上并不完全相同，真骨鱼类拥有更多具有应对刺激和信号传导功能的串接复制基因。基于罗非鱼成鱼的8个组织和南方鲇的11个组织转录组的分析发现，大多数的串接复制基因都表达在具有免疫功能的器官，如鳃、脾脏、肾脏以及头肾等。此外，在脑、肝脏等组织中呈现出特异性的表达模式。说明串接复制基因对于物种适应外界环境是必不可少的，一方面帮助物种提升基本的生命活动能力，另一方面提高免疫以及应对外界刺激的能力。
　　本研究还对一些典型的串接复制基因进行了具体分析。脊椎动物共同的串接复制基因Hox基因簇与DMRT1/2/3基因簇的共线性都具有一定的保守性，两者在物种身体发育和生殖活动中扮演着重要的角色。硬骨鱼共同的串接复制基因簇cldn10和olfm4可能参与到鱼类在水环境中的免疫活动，这两类串接复制的产生分别发生在真骨鱼特有的基因组复制（TSGD）事件的前后，从而导致前者串接复制基因之间的序列相似性明显低于后者，说明复制发生时间的早晚与序列的变异程度有直接的关系。对于物种特异的串接复制基因簇fbxw12（F-box and WD repeat domain containing12）和ZPC（zona pellucida C）对物种的生殖和代谢调节等活动具有重要作用。说明串接复制基因的确为物种应对外界环境的变化提供了丰富的遗传物质基础。
　　本研究为全面理解串接复制基因的进化和功能提供了新的视角，为厘清基因复制与脊椎动物进化之间的关系提供了新的思路。特定串接复制基因的筛选为研究脊椎动物应对环境压力的适应性进化提供了研究基础。

目录

声明

英文缩略词

1. 文献综述

1.1 生物信息学概述

1.1.1 生物信息学定义

1.1.2 测序技术

1.1.3 数据库

1.1.4 序列比对

1.1.5 分子进化

1.2 基因组学研究进展

1.2.1 基因组学定义

1.2.2 结构基因组学

1.2.3 功能基因组学

1.2.4 比较基因组学

1.3 复制基因研究概况

1.3.1 复制基因定义

1.3.2 全基因组复制

1.3.3 串接复制

1.3.4 基因家族

1.3.5 复制基因演化

1.4 本研究的立项依据和目的意义

2. 脊椎动物串接复制基因比较分析

2.1 引言

2.2 材料、仪器与方法

2.2.1 实验材料

2.2.2 实验试剂和仪器

2.2.3 实验方法

2.3 实验结果

2.3.1 脊椎动物复制基因分类

2.3.2 脊椎动物串接复制基因分析

2.3.3 串接复制基因家族分析

2.3.4 脊椎动物串接复制基因表达与功能分析

2.3.5 脊椎动物典型串接复制基因比较分析

2.4 讨论

2.4.1 脊椎动物复制基因类型比较

2.4.2 脊椎动物串接复制基因特点

2.4.3 串接复制基因家族分析

2.4.4 脊椎动物串接复制基因的表达与功能

2.4.5 脊椎动物典型串接复制基因比较分析

3. 结 论

4. 展 望

参考文献

致谢

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