扇贝眼睛发生和视觉功能遗传基础的基因组学研究

摘要

眼睛是机体最重要的感光器官，曾被达尔文称作进化中“极端完美的器官”，自然界中眼睛的形态和种类多种多样，眼睛的起源进化问题一直是学术界研究的热点。对头部的眼睛起源进化的分子生物学分析发现，双侧对称生物头部眼的发生是由一个共同的主导基因pax6控制的。然而近期对文昌鱼和沙蚕的研究表明非头部眼的发育并不依赖pax6。扇贝没有特化的头部，其眼睛分布在外套膜上，属于非头部眼;扇贝眼睛是镜面反射眼，是眼睛进化中的一种独特的形式;其眼睛中有双层的视网膜结构，分别由脊椎动物型的睫纤毛感光细胞和无脊椎动物型的微绒毛感光细胞组成的，对应两层视网膜的光传导信号机制的分子组成的了解还有很欠缺。因此，扇贝是眼睛发育和进化研究的良好材料，对扇贝眼睛的分子生物学研究有助于我们了解非头部眼的起源进化问题及眼睛视觉形成的遗传基础。
　　本研究以虾夷扇贝（Patinopectenyessoensis，Jay1857）为研究材料，对其眼睛进行了RNA-Seq转录组测序，共获得了825条在眼睛中显著上调的基因，这些基因为扇贝眼睛功能的研究提供了丰富的候选资源。差异基因的富集分析发现扇贝眼睛中富集G蛋白偶联受体信号通路，并且还富集了大量G蛋白偶联受体，推测这些G蛋白偶联受体应该是与感知光线相关的，扇贝基因组中可能有不同种类和拷贝数的视蛋白基因。眼睛转录组测序还提供了扇贝眼睛发育相关转录因子信息，otx和eyg在眼睛中显著上调。但双侧对称生物眼睛发育的主导调控基因pax6在虾夷扇贝眼睛和外套膜中不表达，暗示了pax6在扇贝的眼睛发育中可能发挥不同的作用。
　　对虾夷扇贝基因组的视蛋白基因的筛查结果表明，虾夷扇贝的视蛋白包括4个r-opsin、1个r-opsin like、2个c-opsin、2个Go-opsin和1个peropsin，其中r-opsin出现显著的基因扩张现象。在扇贝、牡蛎（Crassostrea gigas）和帽贝(Lottiagigantea)基因组内均发现r-opsin like视蛋白，推测是r-opsin的另一个新的分支。不同的视蛋白亚家族在基因结构上仍保持一定的保守性，虾夷扇贝扩张的r-opsin基因没有内含子，是通过反转录转座而产生的基因加倍。虾夷扇贝光传导通路呈现出极高的多样性，不仅Go-opsin和r-opsin偶联的光传导通路基因在眼睛中被激活，c-opsin及其偶联的Gi/t-PDE及Gs-AC光传导通路在眼睛中也有激活的趋势，推测可能也参与扇贝的视觉功能。
　　虾夷扇贝基因组内存在较为完整且保守的双侧对称动物的眼睛相关转录因子基因集，包括pax家族、otx、mitf、rx、six家族、dac和otd基因。但这些基因的表达模式与以往认识的双侧对称生物眼睛发育模式存在差异。pax6及其下游作用的six1/2、six3/6、eya和dac/dach（视网膜决定基因网络）基因在眼睛中不表达或下调表达，暗示扇贝眼睛的发育是pax6非依赖的模式。与之相反，pax2/5/8和six4/5在扇贝眼睛中却出现上调。
　　本研究中还构建了虾夷扇贝眼睛的基因共表达网络(WGCNA)，共得到了13个基因模块中，其中一个模块显著富集了眼睛高表达基因。在这个模块中，找到了5个眼睛相关的转录因子pax2/5/8、six4/5、bm3、ovo和lmx1，并且pax2/5/8、bm3和lmx1是这个模块前1％的hub基因。基因表达网络确证了pax2/5/8在扇贝眼睛发育中的重要作用，并找到了pax2/5/8、six4/5共表达模式，另外，还发现了3个与扇贝眼睛发育相关的重要转录因子bm3、ovo和lmx1。
　　综上所述，本研究通过转录组和基因组的分析，阐明了扇贝眼睛视觉传导通路的基本组成，揭示了扇贝视觉功能的遗传机制，通过转录因子和表达网络研究，发现了扇贝眼睛的发育与以往认知的pax6依赖型模式不同，是由pax2/5/8主导的，这种发育模式可能是一种原始的、非头部眼共有的发育模式。本研究在基因组层面，对扇贝眼睛发生和视觉功能的遗传基础进行了全面深入的解析，丰富了对扇贝镜眼在分子生物学领域的认识，同时，也为眼睛起源进化的重要生物学问题提出了新的证据和思路。

目录

声明

摘要

第一章 前言

第一节 眼睛形态类型和进化

1 自然界中眼睛的形态类型

2 眼睛的进化

第二节 眼睛发生的关键转录因子及其信号传导通路

1 眼睛发生的关键转录因子

2 视网膜决定基因网络(retinal determination gene network，RDGN)

第三节 光感受器及视蛋白的进化

1 光感受细胞类型

2 视蛋白的家族分类和功能

3 光传导信号通路

第四节 扇贝眼睛的结构特征和研究进展

1 扇贝眼睛的结构和研究进展

2 虾夷扇贝眼睛研究的主要内容和意义

第二章 虾夷扇贝眼睛转录组测序和差异基因分析

1 材料与方法

1．1 扇贝材料

1．2 文库构建与测序

1．3 RNASeq测序数据预处理和表达谱计算

1．4 差异基因分析

2 结果与讨论

2．1 虾夷扇贝眼睛RNA-Seq测序和表达谱数据的计算

2．2 虾夷扇贝眼睛表达谱相关性分析

2．3 虾夷扇贝眼睛差异基因的筛查和富集分析

3 讨论

3．1 转录组测序为扇贝眼睛功能研究提供了丰富的资源

3．2 眼睛中G蛋白偶联受体信号通路的富集及意义

3．3 眼睛中特异性表达的转录因子及其与眼睛发育的关系

第三章 虾夷扇贝视蛋白和视觉传导基因的筛查和表达分析

第一节 虾夷扇贝视蛋白的系统发生和进化分析

1 材料方法

2 结果与分析

3 讨论

第二节 虾夷扇贝光传导通路基因的筛查和表达分析

1 材料方法

2 结果

3 讨论

第四章 虾夷扇贝眼睛发生相关转录因子及其表达分析

1 材料方法

1．1 眼睛发生相关转录因子的筛查

1．2 转录因子的表达分析

2 结果与分析

2．1 虾夷扇贝Pax家族基因筛查及系统发生分析

2．2 虾夷扇贝Otx基因筛查及系统发生分析

2．3 虾夷扇贝Rx基因筛查及系统发生分析

2．4 虾夷扇贝Mitf基因筛查

2．5 视网膜决定基因网络基因的筛查

2．6 眼睛相关基因的表达模式

3 讨论

3．1 虾夷扇贝眼睛发育相关转录因子基因集的完整性

3．2 转录因子表达模式暗示的虾夷扇贝眼睛发育的潜在机制

第五章 虾夷扇贝眼睛发生和功能的基因调控网络的研究

1 材料方法

1．1 基因共表达网络的构建

1．2 眼睛和视觉相关的基因模块鉴定和功能分析

1．3 眼睛调控网络的可视化

2 结果与分析

2．1 虾夷扇贝眼睛的基因共表达网络的构建

2．2 虾夷扇贝眼睛功能相关基因模块的鉴定

2．3 眼睛相关基因网络可视化

3 讨论

3．1 基因网络在解决模式生物和非模式生物复杂生物学问题中的应用与优势

3．2 虾夷扇贝眼睛模块揭示扇贝眼睛发育相关的分子机制

第六章 论文创新点总结

1 扇贝眼睛视觉功能的遗传基础

2 扇贝眼睛发生的遗传基础

参考文献

附录

致谢

个人简历

发表的学术论文