脊椎動(dòng)物串接復(fù)制基因的比較基因組學(xué)分析.pdf

1、基因復(fù)制是物種進(jìn)化的一個(gè)基本過(guò)程。基因可以通過(guò)全基因組復(fù)制、串接復(fù)制、片段復(fù)制及基因轉(zhuǎn)座等方式產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)拷貝。復(fù)制基因?yàn)樯矬w適應(yīng)外部環(huán)境提供了大量的遺傳物質(zhì)，這些新產(chǎn)生的基因會(huì)經(jīng)歷新功能化、亞功能化或者去功能化的不同命運(yùn)。所以說(shuō)，基因復(fù)制是基因組進(jìn)化最主要的驅(qū)動(dòng)力之一，是產(chǎn)生新功能基因和進(jìn)化出新物種的重要過(guò)程。
　　在上述各種復(fù)制方式中，串接復(fù)制和全基因組復(fù)制是兩種主要的復(fù)制形式。雖然已有大量的研究探討了動(dòng)植物不同類(lèi)群中的全

2、基因組復(fù)制事件，但迄今為止，對(duì)串接復(fù)制基因的研究大多集中在個(gè)別的串接復(fù)制基因或者家族，而缺乏在全基因組水平上的認(rèn)識(shí)。隨著基因組數(shù)據(jù)的不斷積累，比較基因組學(xué)作為一種重要的工具學(xué)科目前己經(jīng)成為研究生物基因組最主要的手段之一。根據(jù)序列相似性和位置關(guān)系確定出各物種復(fù)制基因的類(lèi)型和數(shù)目，通過(guò)比較基因組學(xué)分析，將不同類(lèi)群物種的串接復(fù)制基因進(jìn)行比較，有助于確定串接復(fù)制基因的產(chǎn)生與物種適應(yīng)性進(jìn)化之間的關(guān)系。因此，本研究全面分析了以下23種不同進(jìn)化地位脊

3、椎動(dòng)物的串接復(fù)制基因：人，大猩猩，猩猩，小鼠，大鼠，豚鼠，原雞，火雞，斑胸草雀，安樂(lè)蜥，非洲爪蟾，腔棘魚(yú)，斑點(diǎn)雀鱔，斑馬魚(yú)，墨西哥脂鯉，斑點(diǎn)叉尾鮰，南方鲇，新月魚(yú)，三刺棘魚(yú)，青鳉，尼羅羅非魚(yú)，黑青斑河鲀，紅鰭東方鲀，比較了各物種之間串接復(fù)制基因種類(lèi)和數(shù)目的異同，以尼羅羅非魚(yú)和南方鲇為例分析了串接復(fù)制基因的功能及組織表達(dá)模式，并對(duì)一些典型的串接復(fù)制基因做了進(jìn)一步分析，得到以下結(jié)果：
　　從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取23種脊椎動(dòng)物的基因注釋信息，去掉

4、長(zhǎng)度小于25個(gè)氨基酸的基因注釋?zhuān)謩e獲取每個(gè)基因所對(duì)應(yīng)最長(zhǎng)的氨基酸序列以及各物種基因的染色體定位信息。使用Blast+工具和MCScanX分別進(jìn)行序列比對(duì)及共線性分析，將各物種基因分為以下五種類(lèi)型：Singleton（單拷貝基因）；WGD/segmental（在共線性區(qū)域的共線性基因）；tandem（串接復(fù)制基因）；proximal（同一染色體附近但不相鄰的復(fù)制基因）；dispersed（其它復(fù)制基因）。23種脊椎動(dòng)物的串接復(fù)制基因占全

5、部基因數(shù)的平均比例為10.6％，占全部復(fù)制基因數(shù)的平均比例為13.5%。在哺乳動(dòng)物中，兩者的比例分別為15.3%和19.9%；鳥(niǎo)類(lèi)為7.7%和10.1%；魚(yú)類(lèi)為8.7%和10.8%。哺乳動(dòng)物中，小鼠的串接復(fù)制基因最多，共4833個(gè)；魚(yú)類(lèi)中，斑馬魚(yú)的串接復(fù)制基因最多，共3955個(gè)。串接復(fù)制基因所形成的基因簇中，含有2個(gè)串接復(fù)制基因的基因簇比例最高，從小鼠的55.7%到紅鰭東方鲀的87.1%不等。在多數(shù)的脊椎動(dòng)物中，嗅覺(jué)受體（Or, olf

6、actory receptor）和原鈣粘連素（Pcdh, protocadherin）基因均串接復(fù)制了10次以上（含10次）。有意思的是，角蛋白（Krt, keratin）基因只在四足動(dòng)物中普遍串接復(fù)制了10次以上，而在魚(yú)類(lèi)中則是晶狀體蛋白（Crygm, crystallin gamma）基因。其他串接復(fù)制了10次以上的基因并沒(méi)有一定的規(guī)律，如微量胺相關(guān)受體（Taar, trace amine associated receptor）和

7、趨化因子受體（Cxcr, c-c chemokine receptor）基因均只在四足類(lèi)和魚(yú)類(lèi)的部分類(lèi)群發(fā)生了10次以上的串接復(fù)制。上述結(jié)果表明，串接復(fù)制基因的數(shù)目和類(lèi)型可能與類(lèi)群或物種對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性相關(guān)。
　　根據(jù)序列的相似性，本研究將23種脊椎動(dòng)物的串接復(fù)制基因分成了2045個(gè)不同的基因家族。韋恩圖顯示遺傳距離越近的物種具有越多共同的串接復(fù)制基因家族，表明串接復(fù)制基因并不是完全隨機(jī)的，可以在一定程度上反映物種的進(jìn)化關(guān)系。GO富

8、集分析顯示真骨魚(yú)類(lèi)共同的串接復(fù)制基因與四足動(dòng)物共同的串接復(fù)制基因在生物過(guò)程和分子功能上并不完全相同，真骨魚(yú)類(lèi)擁有更多具有應(yīng)對(duì)刺激和信號(hào)傳導(dǎo)功能的串接復(fù)制基因?；诹_非魚(yú)成魚(yú)的8個(gè)組織和南方鲇的11個(gè)組織轉(zhuǎn)錄組的分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的串接復(fù)制基因都表達(dá)在具有免疫功能的器官，如鰓、脾臟、腎臟以及頭腎等。此外，在腦、肝臟等組織中呈現(xiàn)出特異性的表達(dá)模式。說(shuō)明串接復(fù)制基因?qū)τ谖锓N適應(yīng)外界環(huán)境是必不可少的，一方面幫助物種提升基本的生命活動(dòng)能力，另一方面

9、提高免疫以及應(yīng)對(duì)外界刺激的能力。
　　本研究還對(duì)一些典型的串接復(fù)制基因進(jìn)行了具體分析。脊椎動(dòng)物共同的串接復(fù)制基因Hox基因簇與DMRT1/2/3基因簇的共線性都具有一定的保守性，兩者在物種身體發(fā)育和生殖活動(dòng)中扮演著重要的角色。硬骨魚(yú)共同的串接復(fù)制基因簇cldn10和olfm4可能參與到魚(yú)類(lèi)在水環(huán)境中的免疫活動(dòng)，這兩類(lèi)串接復(fù)制的產(chǎn)生分別發(fā)生在真骨魚(yú)特有的基因組復(fù)制（TSGD）事件的前后，從而導(dǎo)致前者串接復(fù)制基因之間的序列相似性明顯低

10、于后者，說(shuō)明復(fù)制發(fā)生時(shí)間的早晚與序列的變異程度有直接的關(guān)系。對(duì)于物種特異的串接復(fù)制基因簇fbxw12（F-box and WD repeat domain containing12）和ZPC（zona pellucida C）對(duì)物種的生殖和代謝調(diào)節(jié)等活動(dòng)具有重要作用。說(shuō)明串接復(fù)制基因的確為物種應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的變化提供了豐富的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)。
　　本研究為全面理解串接復(fù)制基因的進(jìn)化和功能提供了新的視角，為厘清基因復(fù)制與脊椎動(dòng)物進(jìn)化之間的