昆虫MITE转座子的比较基因组分析及数据库的构建

摘要

转座子是上个世纪40年代Barbara Mclintock首先在玉米中发现并定义为基因组中可移动的DNA片段。近年，随着现代信息技术和大规模基因组测序技术的发展，转座子已成为国内外生物学家关注的热点。已有的研究表明转座子广泛分布于原核生物和真核生物的基因组中，并且构成了基因组的重要组成成分。由于转座子在生物基因组中具有重复性的特征，因此给基因组的组装和注释带来了巨大挑战。此外大多数转座子在真核生物基因组中进化速率快变异大，因此给全基因组鉴定工作也带来巨大障碍。
　　微型反向重复转座子（MITEs）由Wessler和Bureau首次在玉米中发现并命名。后续的研究表明，MITEs在基因组中具有高拷贝、高保守、对生物具有应激作用并且受环境影响能在短时间内发生爆发式扩增等特征。但是，已有的这些研究主要集中在植物和少数昆虫基因组中。对昆虫中MITEs转座子的系统鉴定和比较基因组分析工作尚没有相关研究报道。
　　昆虫是地球上数量最多的动物群体，目前人类已知的昆虫约有100万种，并且这些昆虫分布在地球的每个角落。随着人们对昆虫的关注、基因组测序技术的发展和5000个昆虫基因组计划的执行，越来越多的昆虫基因组序列被公布。这为我们对昆虫基因组中MITEs转座子的鉴定和比较基因组学分析提供了绝佳机会。我们的研究结果不但能够丰富转座子的理论知识，而且对新测序昆虫基因组的组装和注释带来帮助。
　　本文通过生物信息学的方法对五个目的昆虫，共45个物种基因组中MITEs转座子进行了系统的鉴定和注释，并构建了昆虫MITEs转座子数据库iMITEdb。主要研究内容和结果如下：
　　1.鞘翅目昆虫中MITEs转座子的鉴定及特征分析
　　本文分析了7个鞘翅目昆虫（包括白蜡窄吉丁(Agrilus planipennis)、光肩星天牛(Anoplophora glabripennis)、中欧山松大小蠹(Dendroctonus ponderosae)、科罗拉多马铃薯甲虫(Leptinotarsa decemlineata)、食粪金龟（Onthophagus taurus）、长扁甲科（Priacma serrata）和赤拟谷盗（Tribolium castaneum））基因组中的MITEs转座子，共鉴定出536个MITEs家族，根据TSD和TIR特征这些家族被分成11个TIR类转座子超家族。我们的研究结果还揭示不同昆虫基因组中MITEs的种类和含量存在显著差异，这7个鞘翅目昆虫基因组中MITEs转座子的家族数范围是2-266个，占基因组比例范围从0.074％-3.303%。
　　2.双翅目昆虫中MITEs转座子的鉴定及特征分析
　　本文分析了11个双翅目昆虫（包括埃及伊蚊(Aedes aegypti)、阿拉伯按蚊(Anopheles arabiensis)、昆士兰实蝇(Bactrocera tryoni)、地中海实蝇(Ceratitis capitata)、Drosophila takahashii、奥斯汀舌蝇(Glossina austeni)、长须罗蛉(Lutzomyia longipalpis)、黑森麦秆蝇(Mayetiola destructor)、蛆症异蚤蝇(Megaselia scalaris)、家蝇(Musca domestica)和静食白蛉(Phlebotomus papatasi)）基因组中的MITEs转座子，共鉴定出1068个MITEs转座子家族，根据TSD和TIR特征这些家族被分成12个TIR类转座子超家族。这11个双翅目昆虫基因组中MITEs转座子的家族数范围是14-342个，占基因组比例范围是0.874%-3.609%。
　　3.半翅目昆虫中MITEs转座子的鉴定及特征分析
　　本文分析了6个半翅目昆虫（包括豌豆蚜(Acyrthosiphon pisum)、温带臭虫(Cimex lectularius)、柑橘木虱(Diaphorina citri)、茶翅蝽(Halyomorpha halys)、Homalodisca vitripennis和乳草长蝽(Oncopeltus fasciatus)）基因组中的MITEs转座子，共鉴定出677个MITEs家族，根据TSD和TIR特征这些家族被分成8个TIR类转座子超家族。这6个半翅目昆虫基因组中 MITEs转座子的家族数范围是22-367个，占基因组比例范围从0.235%-2.413%。
　　4.膜翅目昆虫中MITEs转座子的鉴定及特征分析
　　本文分析了17个膜翅目昆虫(包括大蜜蜂(Apis dorsata)、小蜜蜂(Apis florea)、芫菁叶蜂(Athalia rosae)、大头切叶蚁(Atta cephalotes)、熊蜂(Bombus impatiens)、欧洲熊蜂(Bombus terrestris)、佛罗里达弓背蚁(Camponotus floridanus)、毕氏粗角蚁(Cerapachys biroi)、多胚跳小蜂(Copidosoma floridanum)、印度跳蚁(Harpegnathos saltator)、阿根廷蚁(Linepithema humile)、苜蓿切叶蜂(Megachile rotundata)、Microplitis demolitor、丽蝇蛹集金小蜂(Nasonia vitripennis)、Orussus abietinus、红收获蚁(Pogonomyrmex barbatus)和红火蚁(Solenopsis invicta))基因组中的MITEs转座子，共鉴定出1582个MITEs家族，根据TSD和TIR特征这些家族被分成9个TIR类转座子超家族。这17个膜翅目昆虫基因组中MITEs转座子的家族数范围是1-187个，占基因组比例范围从0.009%-3.168%。
　　5.鳞翅目昆虫中MITEs转座子的鉴定及特征分析
　　本文分析了4个鳞翅目昆虫（包括二化螟（Chilo suppressalis）、奇异沼石蛾（Limnephilus lunatus）、庆网蛱蝶（Melitaea cinxia）、草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda））基因组中的MITEs转座子，共鉴定出439个MITEs家族，根据TSD和TIR特征这些家族被分成7个TIR类转座子超家族。这4个鳞翅目昆虫基因组中MITEs转座子的家族数范围是3-27个，占基因组比例范围从0.353%-1.745%。
　　6.五个目昆虫中MITEs转座子数据库iMITEdb的搭建
　　对本文鉴定出的4302个MITEs转座子家族，分别统计其拷贝数、超家族名称、TIR、TSD等信息，然后通过Linux、Apache、MySQL以及Perl脚本等工具成功构建了iMITEdb数据库，该数据库的构建将在一定程度上促进昆虫基因组学研究，并为转座子的相关研究奠定基础。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 文献综述

1.1 转座子的概念及分类

1.2转座子的功能

1.3 MITE转座子的发现、分布及特征

1.4 MITE转座子的起源和扩增机制

1.5 昆虫中转座子的概述

2 引 言

2.1 研究背景、目的和意义

2.2 研究内容

2.3 研究方法和技术路线

3 五个目昆虫中转座子MITE的鉴定及特征分析

3.1 材料与方法

3.2 结果与分析

3.3 讨论

4 五个目昆虫中MITEs转座子数据库的构建

4.1 MITEs数据的整理

4.2数据库iMITEdb的构建

4.3结果与分析

4.4讨论

5 结 论

致谢

参考文献

附录

A．作者在攻读硕士学位期间参加的研究课题

B．作者在攻读硕士学位期间发表的论文

C．本文所用到的附录文件