鲸类食性转变的分子机制初探：基于7个消化酶基因和RNasel家族的适应性进化分析

摘要

鲸类的食性经历了由草食性到肉食性的转变过程，其祖先为与现生偶蹄目类似的草食动物，而现生鲸类均为肉食动物。化石证据表明，伴随着鲸类由陆生到半水生到完全水生的过程中，其食性也经历了由草食性到杂食性再到肉食性的转变过程，然而这一转变的分子机制尚不清楚。
　　鉴于此，本文选择7个消化酶基因（脂肪酶:LIPF、PNLIP、LIPC;蛋白酶:PGC、CTRC;淀粉酶:MGAM, AMY2A），测定了10个鲸类物种的上述基因编码序列，与其他哺乳动物同源序列进行对比分析。首先，通过构建上述基因的系统发育树，探讨鲸类消化酶基因的进化历史;其次，通过对消化酶基因的选择压力分析，检测上述酶类是否由于鲸类摄食较多脂肪和蛋白质而受到正选择作用;第三，确定鲸类相关基因序列中的特异性位点或特殊基序的变异，以及这些特异性位点改变与食性转变的关系;最后，通过祖先序列的重构，分析具有相同食性的食肉目动物是否与鲸目动物之间存在平行进化。结果显示，上述消化酶类基因的系统发育关系与物种树大致相同，均支持偶蹄目为鲸类的最近祖先。7个消化酶基因中，有4个基因在鲸类中受到了正选择作用，其中包括2个脂肪酶基因(PNLIP、LIPF)、1个蛋白酶基因(CTRC)和1个淀粉酶基因(MGAM)，脂肪酶和蛋白酶受到的正选择作用可能与鲸类的食性改变相关，而淀粉酶的正选择作用则可能与它在调节血糖方面的重要作用有关。在7个消化酶基因中共发现21个肉食动物（即食肉目和鲸目动物）之间的平行进化氨基酸位点和4个趋同位点存在，这些平行或趋同的位点不仅出现在鲸目和食肉目祖先枝之间还出现在各自的中间支之间。鲸类和食肉目动物之间的平行氨基酸位点的存在与其食物组成有着类似的高蛋白、高脂肪的特点有关。本研究揭示了消化酶相关基因在鲸类食性转变过程中的重要作用。
　　除此之外，本文还对另一个与食性相关的RNase1基因家族进行了研究，对6个鲸类物种及其他九个目的13个哺乳动物的RNase1基因进行了注释和研究之后，又对所有物种的RNase1进行系统发生分析，研究RNase1的进化历史。结合此前其他研究的结果分析后发现，RNase1在鲸类都只有1条序列，而在草食性动物如牛、骆驼和金丝猴等都至少有2条序列。并且基因构树的结果说明，偶蹄目中的反刍亚目和胼足亚目为独立复制。鲸类并未发生基因复制可能与鲸类物种的食性转变有关。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 对古鲸目化石及形态学揭示鲸类食性转变过程

1．2 现生鲸类食物组成分析

1．3 其他食性转变动物中相关消化酶的研究进展

1．4 消化酶相关基因及RNase1基因家族简介

1．4．1 PNLIP、LIPC和LIPF基因的结构和功能

1．4．2 CTRC和PGC基因的结构和功能

1．4．3 AMY2A和MGAM基因的结构和功能

1．4．4 RNase 1基因家族

1．5 研究的目的和意义

第2章 研究材料和方法

2．1 样品采集

2．2 主要实验方法及操作步骤

2．2．1 基因组DNA的提取、和测序

2．2．2 PCR扩增及测序

2．2．3 分子克隆

2．3 数据分析

2．4 选择压力分析

2．5 鲸类正选择位点和特异位点在蛋白质三维结构上的分布

2．6 食肉动物平行氨基酸位点的确定

2．7 核糖核酸酶基因家族的注释及分析研究

2．7．1 RNase1基因的确定

2．7．2 序列比对和命名

2．7．3 构树分析RNase1的进化历史

第3章 结果

3．1 鲸类消化酶基因序列特征

3．2 鲸类消化酶基因的正选择作用

3．2．1 位点模型的检测结果

3．2．2 枝位点模型的检测结果

3．2．3 Clade模型的检测结果

3．3 正选择位点及鲸类特异位点在蛋白质三维结构上的分布

3．4 食肉动物平行和趋同氨基酸位点的检测结果

3．5 RNase 1基因家族研究结果

3．5．1 基因组扫描

3．5．2 RNase 1基因家族的特点

第4章 讨论

4．1 脂肪酶和蛋白酶的正选择作用与鲸类食性转变相关

4．2 淀粉酶MGAM受到的正选择作用可能与调节血糖功能有关

4．3 代表性消化酶在齿鲸和须鲸中受到不同选择压力与二者捕食物种不同有关

4．4 鲸类与食肉目动物之间的平行位点与其食性有关

4．5 鲸类RSase 1家族的收缩与食性转变相关

第5章 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