基于基因家族序列分析研究基因的倍增、分化和多效性.pdf

1、基因家族是指具有共同祖先、序列相似的一組基因?；蚣易逍蛄蟹治鲆呀?jīng)廣泛滲透到現(xiàn)代生物學相關(guān)領(lǐng)域的各個方面,成為了生物學研究的一種常規(guī)手段。它廣泛應(yīng)用于研究物種的起源、分化、進化機制及檢測自然選擇壓力等。現(xiàn)在還發(fā)現(xiàn)基因家族的序列信息對系統(tǒng)生物學的研究有著潛在的應(yīng)用價值。
　　本文試圖從三個方面挖掘基因家族所包含的信息:基因的倍增時間、倍增基因的功能分化和基因多效性。雖然本文僅利用了脊椎動物、果蠅、酵母等物種的序列信息,但本文所使用的

2、方法還可以擴展到其物種的相關(guān)研究。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論現(xiàn)歸納如下:
　　1.在人類基因組中,基因倍增的時間分布呈現(xiàn)出兩個波峰和一個古老基因集。由于功能的限制,不同的功能分類也會表現(xiàn)出基因倍增后保留的差異性,并且各個功能分類之間還會相互影響,從而保持相似的基因保留模式。現(xiàn)在已經(jīng)知道某些功能的基因,在脊椎動物早期大量倍增,但各個功能分類間的基因倍增時間相關(guān)性還沒有相關(guān)的研究。為此,我們開發(fā)了一套可靠的用來估計基因倍增時間的流程,并

3、用之估計了人類中大部分基因的倍增時間,分析了不同功能分類間以及不同表達位置間的相關(guān)性。以GO分類來看,功能相關(guān)的基因分類聚在了一起。所有GO分類中,形成了兩個與全基因組明顯差異的功能組。一個是發(fā)育相關(guān)的功能組。另一個是生物生理過程相關(guān)的功能組。我們利用了更嚴謹?shù)墓烙嫽虮对鰰r間的方法研究了三個信號轉(zhuǎn)導相關(guān)的基因超家族:轉(zhuǎn)錄因子、蛋白激酶和G蛋白受體。它們的倍增時間分布模式與GO分類中的信號轉(zhuǎn)導分類是相似的。此外,我們還比較了在不同細胞位

4、置表達的倍增基因的時間分布模式。從細胞核到細胞外,基因倍增在時間分布模式上與全基因組是相似的。細胞外表達的基因在近600百萬年以來,倍增速度有一定幅度的加快。
　　2.基因倍增及其后的功能分化被認為是基因組功能多樣性的來源。雖然已有幾個模型用來描述基因倍增后的功能分化模式,但還是很有必要建立合適的倍增基因間的功能距離測度。我們提出了一種量度兩個直系同源基因簇間功能距離的簡單方法。我們對經(jīng)過兩次基因倍增后產(chǎn)生的具有三個直系同源基因簇

5、的脊椎動物基因家族進行了一種新的統(tǒng)計檢驗,發(fā)現(xiàn)了基因倍增后功能分化的兩種模式。這兩種分化模式顯示出基因分化對兩次基因倍增具有不同的作用。功能距離分析可以為基因分化后不同直系同源基因簇間的功能分化水平提供簡單的測度并將有助于理解功能基因組中的功能創(chuàng)新機制。
　　3.基因多效性是指一個基因能夠同時影響多個表型,這是基因的一個很普通的屬性。生物學家很久以來就意識到了基因多效性的重要性。然而,對基因多效性的范圍還沒有經(jīng)過嚴格的探究。理論上

6、,Fisher的模型假設(shè)了一個廣泛多效性模型,也就是說,一個基因的突變可以潛在地影響所有的性狀。另外一方面,實驗的結(jié)果表明基因通常僅能影響幾個不同的表型。我們估計了321個脊椎動物基因的多效性,發(fā)現(xiàn)一個基因通常只能影響6～7個的分子表型(對應(yīng)于生物適應(yīng)度的維度)。另外,我們發(fā)現(xiàn)估計出來的基因多效性與GO生物過程數(shù)目和表達寬度是正相關(guān)的。這說明了這種估計基因多效性的測度具有確定的生物學意義。此外,根據(jù)我們的結(jié)果,基因多效性具有一個確定的數(shù)

7、值,所以在理論研究時,假定基因突變具有廣泛多效性,是值得商榷的。
　　4.介紹了一個計算基因多效性的可視化軟件Genepleio,并對計算誤差進行了評估和就如何改善計算誤差提出了建議。為了擴大基因多效性測度的應(yīng)用范圍,本文還提供了一個位點多效性的計算方法。利用Genepleio,我們研究了三類物種(脊椎動物、果蠅、酵母)中基因多效性分布的情況,發(fā)現(xiàn)脊椎動物和果蠅具有相似的基因多效性分布,并且它們的基因多效性平均值低于酵母。進一步關(guān)