酵母倍增基因功能分化機(jī)制研究.pdf

1、基因倍增及之后的功能分化是基因組進(jìn)化最主要的驅(qū)動力之一,是導(dǎo)致生物體復(fù)雜性、產(chǎn)生具有新功能的基因和進(jìn)化出新物種的原因之一。研究倍增基因的功能分化是功能基因組學(xué)的一個(gè)主要目標(biāo),對我們了解新基因的起源、生命體的進(jìn)化至關(guān)重要。本項(xiàng)研究就從現(xiàn)存的倍增基因入手,利用全基因組功能組學(xué)數(shù)據(jù)(主要是酵母)、系統(tǒng)進(jìn)化分析及相關(guān)統(tǒng)計(jì)處理,從順式調(diào)控因子(TATA box)、反式調(diào)控因子(反式調(diào)控eQTL)、表觀遺傳修飾(組蛋白修飾)以及功能補(bǔ)償效應(yīng)角度來闡

2、述這些倍增基因是如何一步步實(shí)現(xiàn)功能分化以及功能多樣化,并最終被固定和保留下來。得到的主要結(jié)果如下:
　　1)我們觀察到在人類、線蟲、擬南芥和酵母基因組里,TATA box(跟環(huán)境應(yīng)答相關(guān)的順式調(diào)控元件)要顯著富集于倍增基因。為進(jìn)一步研究基因倍增后TATAbox的進(jìn)化情況,我們對酵母700多個(gè)基因家族重構(gòu)祖先TATA box的狀態(tài),發(fā)現(xiàn)大多數(shù)基因家族祖先基因的啟動子區(qū)都是沒有TATA.box的,并且基因倍增后,倍增基因啟動子區(qū)TAT

3、A box的獲得事件要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于失去事件-總的獲得-失去比率大約是3.4倍。同時(shí),后來獲得TATA box的倍增基因要明顯富集于與環(huán)境應(yīng)答相關(guān)的功能類里(其它含有TATA box的倍增基因一般跟代謝活動相關(guān)),并在環(huán)境脅迫條件下經(jīng)歷更為快速的表達(dá)分化(不對稱進(jìn)化)。因此,我們認(rèn)為在酵母中,基因倍增后,倍增基因啟動子TATA box的獲得事件加速了倍增基因在環(huán)境變化條件下的表達(dá)分化速度并促進(jìn)該生物體的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)化,從而協(xié)助倍增基因在基因組

4、中被順利保留。
　　2)通過對酵母全基因組eQTL數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn),倍增基因具有更高的表達(dá)遺傳率,但在上位性與方向效應(yīng)上,與單拷貝基因沒有顯著差異;基因倍增后,倍增基因?qū)χg的反式調(diào)控eQTL會隨著進(jìn)化時(shí)間的行進(jìn)不斷分化;倍增基因反式調(diào)控eQTL的分化能解釋其大約21％的表達(dá)變異,如果再考慮轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合互作分化,解釋率可升至27％:倍增基因?qū)χg的反式調(diào)控eQTL分化與基因本體論(Gene Omology)中“生物過程”和“細(xì)胞組分

5、”的進(jìn)化緊密相關(guān),但與“分子功能”無任何關(guān)聯(lián)。因此,我們覺得eQTL分析為研究基因倍增對遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化的影響提供了一種全新的思路和方法。
　　3)通過對酵母全基因組水平的組蛋白修飾數(shù)據(jù)分析,我們發(fā)現(xiàn)倍增基因?qū)Ρ入S機(jī)單拷貝基因?qū)o論是在啟動子區(qū)還是編碼區(qū)都擁有更為相似的組蛋白修飾譜,并且倍增基因組蛋白修飾譜的分化與其編碼序列、反式調(diào)控因子、順式調(diào)控因子的進(jìn)化存在很強(qiáng)的相關(guān)性。同時(shí),進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)有可能受到反式調(diào)控因子作用的倍增基因

6、擁有更為快速分化的組蛋白修飾譜。我們猜測,基因倍增后,基因的組蛋白修飾譜也發(fā)生了復(fù)制,之后隨著倍增基因的遺傳因子如序列、調(diào)控因子的進(jìn)化而發(fā)生分化。
　　4)關(guān)于倍增基因的功能補(bǔ)償效應(yīng),我們提出兩種假說。一種是環(huán)境依賴的倍增基因功能補(bǔ)償效應(yīng)丟失假說:因?yàn)樽匀画h(huán)境選擇效應(yīng)的存在,保留下來的倍增基因在進(jìn)化歷史的某一時(shí)期或某些環(huán)境中對生物體的生存、繁殖是唯一必需、不可替代的。在這些環(huán)境中,倍增基因的功能補(bǔ)償效應(yīng)就喪失了。另一種假說是基因網(wǎng)