昆蟲基因組密碼子使用及進(jìn)化分析.pdf

1、隨著測序技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)獲得了大約20多種昆蟲的全基因組和大約100多種昆蟲的線粒體基因組序列。然而單純獲取全基因組序列已經(jīng)不能滿足科學(xué)研究的需求，要求研究人員對已知基因組序列進(jìn)行深入分析和研究，進(jìn)而挖掘其中隱含的生物學(xué)和物種進(jìn)化信息?，F(xiàn)在數(shù)據(jù)庫中的基因序列呈指數(shù)級增加，相應(yīng)的分析工具也是與日俱增，這為生物學(xué)工作者提供了極大的方便。 昆蟲屬于節(jié)肢動物門、六足總綱、昆蟲綱，是地球上已知種群數(shù)目最多的一個類群。昆蟲學(xué)的研究對

2、于維持地球生態(tài)平衡、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展、防治農(nóng)業(yè)和林業(yè)病蟲害具有極其重要的作用。在昆蟲細(xì)胞內(nèi)主要有兩個基因組，核基因組和線粒體基因組。核基因組具有較多的非編碼區(qū)、重復(fù)序列、內(nèi)含子以及大量的重排現(xiàn)象，不同的物種間具有比較大的差異；線粒體基因組的組成則在同一個動物門中具有較高的保守性，一般情況下是一個雙鏈閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)，它包含13個蛋白編碼基因，2個核糖RNA(rRNA)的編碼基因以及22個轉(zhuǎn)運RNA(tRNA)的編碼基因。此外，在大多數(shù)昆蟲細(xì)胞

3、內(nèi)寄生著一種內(nèi)共生菌Wolbachia，它是一種革蘭氏陰性alpha-蛋白菌，它主要感染節(jié)肢動物和絲蟲。它可以通過誘導(dǎo)孤雌生殖、雄性雌性化、殺雄以及精卵不相容等生殖操縱而改變寄主的生物學(xué)特性。 本研究將使用對應(yīng)分析、卡方檢驗和似然比檢驗等生物信息學(xué)的方法來檢測昆蟲中所包含的核基因組、線粒體基因組和Wolbaehia核基因組的密碼子使用偏好性、密碼子進(jìn)化趨勢以及各個基因組之間密碼子使用的相關(guān)度。 線粒體基因所編碼的蛋白對于

4、維持生物體的生命活動具有重要意義。故本研究對昆蟲線粒體基因組的密碼子組成和tRNA分子的使用情況進(jìn)行了統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，在昆蟲線粒體基因組中，有10種最優(yōu)密碼子與對應(yīng)tRNA分子上的反密碼子不能完全匹配。這一結(jié)果與哺乳動物、魚類以及真菌的線粒體基因組中密碼子使用情況是不同的。故推測昆蟲線粒體基因組中的密碼子使用沒有受到tRNA豐度的影響，它們是獨立于tRNA分子的豐度進(jìn)化而來的，并且這種不匹配的現(xiàn)象在昆蟲線粒體基因組中是普遍存在的，其

5、機理還有待于進(jìn)一步的研究。 線粒體基因所編碼的蛋白不能單獨起作用，它需要核基因所編碼的蛋白共同組成細(xì)胞內(nèi)電子傳遞鏈上的復(fù)合體來參與完成氧化磷酸化過程。氧化磷酸化過程是細(xì)胞中唯一一個同時有核基因和線粒體基因共同參與的過程，它們之間存在著協(xié)同進(jìn)化關(guān)系。本研究以黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)為對象，探討參與氧化磷酸化過程的核基因以及線粒體基因的密碼子組成情況。研究結(jié)果顯示黑腹果蠅氧化磷酸化系統(tǒng)中核基因的密碼

6、子組成主要受到翻譯選擇和基因組堿基組成的影響；而線粒體基因的密碼子組成，通過對應(yīng)分析并沒有發(fā)現(xiàn)主要影響因素，可能和細(xì)胞器的起源有關(guān)，并不受到功能的限制。盡管黑腹果蠅氧化磷酸化系統(tǒng)中的核基因和線粒體基因具有相關(guān)的功能并且彼此之間是協(xié)同進(jìn)化的，但它們具有明顯不同的密碼子使用模式，因此這種協(xié)同進(jìn)化作用主要是通過基因所編碼蛋白的三級結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出來的。通過統(tǒng)計檢驗表明，核基因和線粒體基因的密碼子組成都受到了堿基關(guān)聯(lián)突變(context-depend

7、ent mutation)的影響。 除核基因組和線粒體基因組之外，昆蟲細(xì)胞內(nèi)可能還包含胞內(nèi)共生菌Wolbachia的基因組。由于Wolbachia的基因組和昆蟲的線粒體基因組具有較高的相似度，如共同的祖先alpha-蛋白菌，以及母系遺傳的特點，故可能從Wolbachia核基因組和昆蟲線粒體基因組的密碼子組成或基因組組成的方面來進(jìn)一步尋找它們共同起源的證據(jù)。本研究以黑腹果蠅中的專性胞內(nèi)寄生菌Wolbachia pipientis

8、wMel為研究對象，分析表明Wolbachiapipientis wMel基因組具有較高的AT堿基含量，并且不管是高表達(dá)基因還是低表達(dá)基因都傾向于使用富含AT的密碼子。Nc-plot結(jié)果顯示基因組堿基組成可能是影響密碼子組成的因素。對應(yīng)分析顯示基因組中的密碼子組成還可能受到基因長度和基因表達(dá)水平的影響。Wolbachia pipientis wMel作為革蘭氏陰性alpha蛋白菌，它的基因組與動物線粒體基因組具有的相似之處，如較高的AT

9、堿基含量，可以進(jìn)一步印證Wolbachia和線粒體之間的密切關(guān)系。 以上分析過程中，本研究選用了一個重要參數(shù)：CAI(codon adaptation index)，該參數(shù)盡管存在一定的爭議，卻具有比較大的用途。在剛測出全序列的基因組中，有些基因的表達(dá)水平通過實驗驗證比較費時間，且成本比較高，那么就可以使用CAI值來估計一些未知基因的表達(dá)水平高低。CAI值我們稱為密碼子適應(yīng)指數(shù)，它的變化范圍位于0到1.0之間。它的值越高意味著具

10、有較高的密碼子偏好性，以及較高的表達(dá)水平。目前，有10條果蠅的全基因組被成功測序，為生物學(xué)研究提供了足夠的數(shù)據(jù)支持。本研究下載了7種果蠅中與侵略性(Aggressive)相關(guān)的基因CYP6A20，通過比較這7種果蠅的CYP6A20基因的CAI值，本文對這7種果蠅的侵略性水平進(jìn)行了推測。需要聲明的是，由于缺少行為學(xué)的直接證據(jù)，且CAI值的計算也存在偏差，結(jié)果可能會出現(xiàn)誤差，但是CAI值在后基因組時代的應(yīng)用會越來越廣泛。 基于密碼子

11、水平上的選擇壓力分析對于研究基因進(jìn)化具有重要作用。本研究討論了昆蟲細(xì)胞色素氧化酶亞基I(COI)的適應(yīng)性進(jìn)化。昆蟲作為地球上最大的一個類群，盡管同一個動物門中的線粒體基因組比較保守，但是它們在序列上還是有明顯的不同。隨著后基因組時代的到來，有越來越多的昆蟲線粒體基因組被測序，這為研究昆蟲中COI基因的系統(tǒng)進(jìn)化提供了新的角度。通過對31條昆蟲線粒體中蛋白編碼基因COI的分析，表明COI基因受到了較強的凈化選擇壓力。但是昆蟲所面臨的生存壓力