Hox基因及相关调控因子的进化改变在哺乳动物表型修饰中的研究

摘要

轴向骨骼(axial skeleton)和附肢(limbs)作为骨骼系统中重要的组成成分部分，对身体支撑和运动起到至关重要的作用，它们的出现为物种的进化辐射和适应不同环境提供了重要的结构基础。哺乳动物作为分化程度最高的类群，在与环境相互作用过程中，其表型发生了显著的进化改变。然而，驱使这种形态特征改变的遗传学机制并不清楚。Hox基因家族因在胚胎发育过程中，沿前后轴指定物种形态多样化起决定性作用而备受关注。
　　本研究基于基因组数据，对哺乳动物4个Hox cluster的结构特征、Hox基因编码序列及调控Hox基因表达的相关调控因子(Bmi1，Mll和E2f6)进行生物信息学和比较基因组学分析，以探究Hox基因的进化改变对哺乳动物轴向骨骼及附肢表型进化修饰的的影响。结果表明，翼手目Hoxa和非洲兽Hoxb含有较多的LINEs，且海兽类Hoxc&Hoxd cluster重复序列密度明显不同于其陆生哺乳动物近亲，提示相应Hox基因在这些类群中的表达模式可能发生变化，进而参与其表型的进化改变。而调控Hox基因表达的控制因子（Mll/Bmi1/E2f6）在一些类群中的适应性进化进一步证实相应Hox基因表达模式的改变在哺乳动物表型修饰中起到重要作用。对哺乳动物39个Hox基因的进化分析发现，在哺乳动物进忧过程中，一些Hox基因(Hoxa11，Hoxd9，Hoxc4，Hoxc10，Hoxd10，Hoxd12）经历了加速进化或正选择作用，且Hoxa: Hoxa3，Hoxa6; Hoxb: Hoxb9; Hoxc:Hoxc5，Hoxc11; Hoxd: Hoxd1，Hoxd12在海兽类等类群中检测到特异的携带激进氨基酸性质改变的突变位点，提示这些基因在哺乳动物进化中经历了适应性进化，反映了Hox蛋白质功能的修饰在哺乳动物轴向骨骼及附肢表型修饰中的作用。而本研究所检测到的所有突变位点在相应蛋白质重要功能域中或其附近，进一步证实Hox基因表达模式及Hox蛋白功能的修饰在哺乳动物表型改变中的重要作用。尽管末端枝Hox基因（Hoxa: Hoxa2，Hoxa7; Hoxb: Hoxb2，Hoxb3，Hoxb4; Hoxc: Hoxc4, Hoxc10; Hoxd: Hoxd1, Hoxd3, Hoxd8; Hoxd9, Hoxd10,Hoxd12）及调控因子（E2f6和Bmi1）的正选择作用，并不能解释普遍存在的进化枝特异的形体模式的进化改变，但可能有助于进化枝内不同物种间及种内轴向骨骼及附肢的多态性。另外，比较分析发现，哺乳动物可能通Hox基因表达模式的改变及Hox蛋白功能的修饰共同参与哺乳动物表型的改变。本研究对哺乳动物Hox基因结构组织、调控因子及Hox基因编码区的进化分析揭示了哺乳动物Hox基因表达模式及Hox蛋白质功能的进化修饰在哺乳动物轴向骨骼及附肢表型适应性改变中的重要作用，丰富了哺乳动物表型进化改变的分子机制，为哺乳动物适应不同的栖息地提供了重要的分子依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 哺乳动物脊柱及胸部骨骼元件的进化修饰

1．2 哺乳动物附肢的进化修饰

1．3 同源框基因简介

1．3．1 Hox基因的命名

1．3．2 Hox基因的进化

1．4 Hox基因在轴向骨骼发育过程中的作用

1．4．1 Hox基因突变对轴向骨骼的影响

1．4．2 Hox基因表达在轴向骨骼发育中的作用

1．5 Hox基因在附肢发育中的作用

1．6 Hox基因在四足动物中的进化修饰研究进展

1．7 研究目的和意义

第2章 分析方法

2．1 Hox基因组获取及基因注释

2．2 Hox基因间隔区比较及重复序列的检测

2．3 Hox基因及调控因子编码序列进化枝特异的氨基酸改变

2．4 选择压力分析

2．5 特异的氨基酸改变及正选择位点在蛋白质三维结构中的分布

2．6 趋同或平行氨基酸替代

第3章 结果

3．1 哺乳动物Hox基因的结构特征

3．2 重复序列的分布

3．3 进化枝特异的氨基酸替代

3．4 正选择分析

3．5 适应性突变位点在相应蛋白质空间结构的分布

3．6 Hox基因在哺乳动物中的趋同或平行进化分析

第4章 讨论

4．1 Hox cluster组织结构的差异与哺乳动表型有关

4．2 Hox基因表达模式的改变参与哺乳动物表型的修饰

4．3 Hox基因适应性进化驱使哺乳动物表型的进化改变

4．4 分子趋同与相似表型的产生

总结

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

附录

致谢