靈長類二氧化碳感知通路相關(guān)基因的進化及生物信息學(xué)分析.pdf

1、作為一種重要的大氣組成氣體，二氧化碳對環(huán)境的作用不可忽視，而植物和一些動物對二氧化碳的感知能力也對其生態(tài)活動有著重要影響。近期對小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，碳酸酐酶-Ⅱ(CAII)、鳥苷酸環(huán)化酶(GC-D)和磷酸二酯酶2A(PDE2A)這三種酶的編碼基因組成了動物感知二氧化碳的功能通路。進化分析則表明，GC-D在大部分較為高等的靈長類中已經(jīng)成為了假基因，而在一些哺乳類中該基因也承受著進化負選擇。結(jié)合通路背景對CAII和PDE2A進行生物信息學(xué)研究分

2、析，對認識二氧化碳感知通路的進化有著重要意義。然而，人們目前仍未系統(tǒng)地對該通路另兩個基因CAII和PDE2A進行過類似的進化研究。
　　本論文利用GenBank和Ensembl數(shù)據(jù)及自行測定的CAII基因編碼序列(CDS)，分別構(gòu)建了CAII和PDE2A基因的系統(tǒng)發(fā)育樹，并分別利用諸如PHYLIP、PAML、MEGA、RRTree、MO Tree Comparison以及KTreeDist等各類生物信息學(xué)軟件對這兩種基因進行了序列

3、分析、系統(tǒng)發(fā)育重建及適應(yīng)性進化分析。主要工作如下：
　　1)自行測定了一種狐猴和兩種新世界猴等較為低等的靈長類物種的CAII基因CDS的序列，并通過網(wǎng)上序列數(shù)據(jù)庫檢索，篩選由13個物種的CAII基因的同源序列，在通過構(gòu)建家族樹排除了旁系同源物的干擾之后，為CAII基因構(gòu)建了基因樹。從文獻提供的GC-D基因的序列中篩選出同CAII可用序列共有的9個物種，再自數(shù)據(jù)庫中補允2個物種，重新根據(jù)外顯子對位并構(gòu)建基因樹。同時，將CAII中共有

4、物種的序列挑出，另行構(gòu)建了一個包含9個物種的基因樹。隨后，利用分子進化分析工具計算兩個基因在遺傳距離上的相關(guān)性，對進化樹的拓撲結(jié)構(gòu)和枝長進行比較，再估計兩者的相塒進化速率。最后，從上述三個方面對CAII和GC-D基因的進化趨勢是否一致進行了分析和探討，發(fā)現(xiàn)CAII和GC-D在遺傳距離、樹形結(jié)構(gòu)和相對進化速率上都具有相同之處，說明位于同一通路的這兩個基因在進化上具有類似趨勢。
　　2)查詢網(wǎng)上序列數(shù)據(jù)庫，篩選出了37個物種的PDE2

5、A基因的CDS序列，通過序列對位等方法進行了數(shù)據(jù)過濾，確定了9個物種，以此為PDE2A基因構(gòu)建了基因樹。重新挑選GC-D同PDE2A可用序列共有的物種進行了基因樹的構(gòu)建。同樣從遺傳距離、進化樹樹形結(jié)構(gòu)和相對進化速率等三個方面對PDE2A和GC-D基因的進化趨勢是否一致進行了分析和探討。同時，對CAII進行序列重選，將之同PDE2A也從這三方面進行了進化趨勢的分析，證明PDE2A和GC-D在遺傳距離和樹形結(jié)構(gòu)上存在顯著相關(guān)性，但在相對進化

6、速率上存在較大差異。
　　3)考慮到GC-D在進化過程中呈現(xiàn)的負選擇情況，我們對CAII和PDE2A進行了適應(yīng)性進化分析，發(fā)現(xiàn)CAII在靈長類物種進化中承受負選擇，并與GC-D有著一致的趨勢。而在PDE2A中也榆測出顯著的負選擇，但對各結(jié)構(gòu)域序列分段進行進化分析，發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)域有著不同的進化趨勢，盡管可以認為PDE2A具有與GC-D一樣的進化趨勢，但對PDE2A每個結(jié)構(gòu)域而言，由于行使不同的功能，在進一步分析的時候呈現(xiàn)出了與GC-

7、D不一樣的進化趨勢。此外，在CAII和PDE2A中均未檢測出顯著的正選擇。
　　4)為了進一步分析CAII和PDE2A可能存在的功能變化，我們對一些物種的CAII和PDE2A的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)進行了計算機模擬，并將其同人類的CAII和PDE2A的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行比對。發(fā)現(xiàn)從結(jié)構(gòu)上來看，這兩個蛋白質(zhì)的活性位點在物種間的偏離并不大，在功能上并沒有表現(xiàn)出明顯差異，但存在活性降低的可能性。
　　總之，本研究從進化趨勢的角度證明，在靈長類