基因組重配與重組的分子進化研究：以H6N1、MERS-CoV及鳥類mtDNA為例.pdf

1、基因重組是改變與塑造物種基因組及其相關表型的重要因素。自然界中不同物種或個體之間的基因轉移(重配)和重組時常發(fā)生,成為物種進化的一種動力。自然界中基因轉移與重組的方式有很多,包括細菌與細菌間的結合作用、病毒侵染細胞時的轉導作用、由插入序列和轉座子介導的基因移位與重排、病毒組裝過程中的重配現(xiàn)象以及不同DNA分子間發(fā)生的基因重組。圍繞基因組重組(重配)現(xiàn)象來探討RNA和DNA基因組分子進化機制具有重要意義。為了更好地了解重組現(xiàn)象對不同類型基

2、因組進化的影響,我們需要對RNA和DNA這兩種不同類型基因組序列進行重組檢測。本研究通過對線粒體基因組的測序,結合公共數(shù)據(jù)庫釋放的序列,利用生物信息學分析手段對RNA病毒與鳥類線粒體基因組重組(重配)現(xiàn)象進行分析與解釋,并分別討論重組(重配)所引起的基因組改變以及對物種進化歷史重建和群體遺傳選擇模式的影響。
　　在本研究中,以禽流感病毒 H6N1和中東冠狀病毒 MERS-CoV為例探討 RNA基因組的重配與重組現(xiàn)象,以雁形目鳥類線

3、粒體基因組為例探討DNA基因組重組現(xiàn)象?；谇萘鞲胁《救蚬蚕頂?shù)據(jù)庫、NCBI的 GenBank數(shù)據(jù)庫以及后生動物線粒體基因組數(shù)據(jù)庫(METAMIGA),我們著重探討以下問題:(1)首例人感染禽流感病毒 H6N1的基因組特征和重配來源;(2)中東冠狀病毒基因組特征、重組分析和基因進化選擇模式研究;(3)雁形目鳥類線粒體基因組重組分析。主要的研究結果如下:
　　1.人感染禽流感病毒H6N1的基因組特征和重配來源分析
　　研究結

4、果:本研究首次報道了人感染禽流感病毒 H6N1的重配起源以及與致病性相關的基因組特征。系統(tǒng)發(fā)育分析結果顯示,首例人感染 H6N1病毒(A/Taiwan/2/2013/H6N1)是由H6N1病毒系與H5N2病毒重配而來,除了PB1基因以外,其余7個基因組片段均來源于從雞中分離出的 H6N1病毒(A/chicken/Taiwan/A2837/2013)。這兩例H6N1病毒來源于03-04年H6N1病毒譜系、09-10年H6N1病毒譜系以及個

5、別12年H5N2病毒的多重重配事件,雖然此次重配并沒有引發(fā)大規(guī)模的H6N1禽流感流行病,我們推測其來源于03-04年H6N1譜系的表面抗原蛋白編碼基因 HA以及來源于09-10年 H6N1譜系的神經(jīng)氨酸酶編碼基因NA并沒有造成H6N1的抗原性發(fā)生明顯的轉變。此外,本研究發(fā)現(xiàn)人感染H6N1病毒表面血凝素受體結合位點存在個別與其他 H6N1病毒所不同的特殊氨基酸,例如受體結合位點上游186(H3)的位置,分析發(fā)現(xiàn)一個特殊的脯氨酸(Proli

6、ne, P)到亮氨酸(Leucine, L)的突變可能在一定程度上改變了H6N1病毒與宿主受體識別和結合的親和力。
　　2.中東冠狀病毒基因組特征、重組分析和基因進化選擇模式
　　研究結果:本研究的32條MERS-CoV基因組序列,共有250個單核苷酸多態(tài)性位點,Bisha1/2012和Riyadh1/2012在開放閱讀框ORF4b基因上各有一段17個核苷酸的缺失, England-Qatar/2012和 England1/

7、2012在核衣殼蛋白編碼基因(nucleocapsid,N)上各有一段6個核苷酸的缺失。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育關系和多態(tài)性位點將MERS-CoV分為A、B、C和D四個基因型以及一個過渡基因型。此外,本研究發(fā)現(xiàn)中東冠狀病毒 RNA基因組與 BtCoV/133/2005、BtCoV/HKU4-1、BtCoV/HKU5-1和 ErinaceusCoV/2012-216/GER/2012之間存在重組信號,但MERS-CoV內(nèi)部卻未發(fā)現(xiàn)自信度較高的重組點,

8、這為研究病毒基因進化過程所經(jīng)歷的選擇模式研究提供了前提條件。此外,本研究發(fā)現(xiàn)膜糖蛋白(membrane glycoprotein, M)在進化過程中經(jīng)歷正選擇的壓力,數(shù)據(jù)都表明M基因經(jīng)歷了一個階梯式的進化過程,膜糖蛋白在病毒侵染前期通過自身改變更好的適應宿主,之后處于收到的功能約束較弱,經(jīng)歷中性選擇進化。在MERS-CoV中,ORF3閱讀框可能編碼結構蛋白或者編碼干擾素拮抗物來調節(jié)體內(nèi)病毒基因組復制效率或病原性,其在基因型 B和基因型

9、C的進化過程中,明顯的受到正選擇的作用,研究認為在第一時期,該基因經(jīng)歷了從負選擇到正選擇進化的改變,推測該蛋白在適應宿主過程中具有重要作用。
　　3.雁形目鳥類線粒體基因組重組分析
　　研究結果:本研究測得三種雁形目鳥類線粒體基因組(豆雁、鴻雁和鴛鴦),對其進行基因組結構與特征分析、雁形目系統(tǒng)發(fā)育和地理分布分析等,這都為進一步對雁形目鳥類線粒體基因組進行重組分析奠定了基礎。本研究發(fā)現(xiàn)在20條線粒體基因組中共有5條基因組序列發(fā)