微衛(wèi)星序列在生物體基因組中的組成與比較分析.pdf

1、微衛(wèi)星序列最初是由于能引發(fā)多種人類神經(jīng)性疾病而“享譽盛名”，后來被作為分子標記廣泛應(yīng)用于生物學(xué)領(lǐng)域。然而，無論是實驗生物學(xué)，還是計算生物學(xué)，對微衛(wèi)星序列的相關(guān)研究主要是針對基因組較大的生物，如真核生物和原核生物。病毒是一類微小的生命體，在自然環(huán)境中無法存活，靠寄生在活細胞內(nèi)延續(xù)生命。目前，病毒中微衛(wèi)星序列的相關(guān)報道相當有限。本論文利用現(xiàn)有的基因組和核酸序列公共數(shù)據(jù)庫資源，借助數(shù)學(xué)的、統(tǒng)計學(xué)的和計算機的手段，對真核生物、原核生物和病毒基因

2、組序列中的微衛(wèi)星序列，尤其是病毒基因組中的微衛(wèi)星序列進行比較分析，并探討微衛(wèi)星序列在病原體和宿主的感染與防御機制中可能發(fā)揮的作用。
　　本論文內(nèi)容主要涉及以下方面:
　　1.從病毒到人類所有進化等級上的生物體序列中微衛(wèi)星序列的比較分析（第2章）
　　本研究工作的材料是包括多種模式生物在內(nèi)的32種生物，涵蓋動物、植物、真菌、原生生物、真細菌、古細菌和病毒，分析了其中微衛(wèi)星序列的分布情況，并探討了微衛(wèi)星序列在基因組組成和擴

3、增中可能發(fā)揮的作用。研究發(fā)現(xiàn)，無論是處于進化最低層的病毒，還是處于進化最高層的智人，其序列中微衛(wèi)星的含量基本都達到了60％，更有甚者，間日瘧原蟲（D.discoideum）中微衛(wèi)星序列含量竟有75％之多。由此說明，微衛(wèi)星序列在基因組組成上做出了相當大的貢獻。也從側(cè)面證明，基因組有形成短串聯(lián)重復(fù)片段的傾向，重復(fù)的發(fā)生為基因組由小到大的進化提供了一種動力。然而，重復(fù)片段的迭代次數(shù)不是無限制增大的，因此作者在這里引進了一個概念——壓力邊界，主

4、要是針對動植物的，是重復(fù)序列無限制擴增需要突破的一個長度界限。動物、植物、基因組較大的原生動物中重復(fù)序列的選擇壓力邊界大概為12bp，剩下的原生生物和真菌中重復(fù)序列的壓力邊界大概為10bp，而細菌中重復(fù)序列的壓力邊界大概為8bp?？傊?，短串聯(lián)重復(fù)序列是造成基因組變異的一個重要因素。
　　2.病毒基因組中微衛(wèi)星序列分析研究（第3-6章）
　　作者站在整個病毒的高度上，從1938種病毒中選取了257個代表種。由于其基因組呈現(xiàn)出非

5、常豐富的長度多態(tài)性，因此為研究微衛(wèi)星序列和基因組大小的相關(guān)性提供了一個極為難得的材料。結(jié)果表明基因組大小是影響微衛(wèi)星序列重復(fù)水平的一個重要因素，兩者之間存在著很強的正相關(guān)關(guān)系。整體上，基因組越大，其呈現(xiàn)出來的容納重復(fù)序列的能力就越強。除此之外，宿主可能在一定程度上也影響了微衛(wèi)星序列的含量。比如，相似大小的病毒基因組，感染脊椎動物和非脊椎動物的病毒比感染細菌的病毒有較高含量的微衛(wèi)星序列。這些感染脊椎動物和非脊椎動物的病毒相比較感染其它宿主

6、的病毒，其基因組較大。作者推測，可能是在侵染過程中病毒由于整合了宿主的部分序列，其基因組序列變的較長，微衛(wèi)星序列的含量升高。從進化學(xué)的角度看，這是病毒和其宿主在長期的侵染與防御過程中互相選擇的結(jié)果，換而言之，這是微衛(wèi)星序列重復(fù)水平與基因組大小、病毒與其宿主協(xié)同進化的結(jié)果。病毒是一大類病原體，微衛(wèi)星序列具有高突變率、穩(wěn)定性差的特點，因此對病毒中微衛(wèi)星序列的透徹研究對將來了解許多宿主的發(fā)病機理有很大幫助。（第3章）
　　本論文第4章采

7、用第3章的數(shù)據(jù)集，從另外的角度進行分析。主成分分析的結(jié)果顯示，造成病毒間微衛(wèi)星序列多樣性的最大因素是重復(fù)單元較短的微衛(wèi)星序列（mono-～tetra-SSRs，記作SSRs1～4），其次是重復(fù)單元相對較長的微衛(wèi)星序列（主要是hexa-，記作SSRs6）。作者通過文獻調(diào)研，驚奇的發(fā)現(xiàn)，在原核生物中，SSRs1～4主要存在于宿主依賴性的病原體微生物中，這類微生物的基因組通常相對較小，它們一旦脫離了宿主，在自然環(huán)境下不易存活。相反，SSRs5

8、～11主要存在于非致病性原核微生物的和條件致病菌中，這類原核生物的基因組相對來說比較大。本章的病毒基因組通常比原核生物的基因組小很多，因此SSRs1～4相對較多，并未發(fā)現(xiàn)很多SSRs＞5。作者分析，SSRs＞5在絕大多數(shù)病毒中都不存在的可能原因如下:(i)基因組較小，容納較長重復(fù)單元的能力不足;(ii)突變的偏好性促使個別病毒中擴增出SSRs＞5;(iii)絕大多數(shù)病毒對SSRs＞5沒有很強的負向選擇性。（第4章）
　　為了調(diào)查甲

9、型流感病毒中的微衛(wèi)星序列，本論文第5章基于全基因組序列的完整性，選取了85個亞型的甲型流感病毒基因組作為數(shù)據(jù)材料，通過配對設(shè)計兩樣本的均值差異顯著性t檢驗法和統(tǒng)計學(xué)作圖評估了自然序列和隨機模型生成序列中微衛(wèi)星序列的差異，發(fā)現(xiàn)無論是節(jié)段性比較，還是整個基因組比較，自然序列和隨機生成的序列中微衛(wèi)星的差異均達到了極顯著的水平，而且甲型流感病毒的第7個節(jié)段中微衛(wèi)星序列嚴重低于期望值，其它節(jié)段的均高于期望值。運用回歸分析的方法分析了微衛(wèi)星序列的含

10、量和迭代次數(shù)之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)兩者之間呈明顯的負相關(guān)。作者也跟前輩們的結(jié)果做了比較，并討論了短串聯(lián)重復(fù)序列在病毒基因組多樣性方面可能發(fā)揮的作用。結(jié)果表明，重復(fù)序列廣泛分布于甲型流感病毒的各個節(jié)段，而且其在各節(jié)段中是均勻存在，幾乎沒有發(fā)現(xiàn)堆積現(xiàn)象。甲型流感病毒基因組的遺傳多樣性主要是由于基因組節(jié)段間的重配和節(jié)段內(nèi)序列的變異，其中，微衛(wèi)星序列是造成節(jié)段內(nèi)序列變異的一個重要因素。微衛(wèi)星序列在各節(jié)段中的超比例或不足的分析結(jié)果可能會為重配機制、感

11、染過程和進化分析提供一些新的蛛絲馬跡。（第5章）
　　本論文第6章分析了微衛(wèi)星序列在植物病毒——馬鈴薯病毒屬的45個病毒種中的相對密度、相度豐度和堿基組成，并和艾滋病病毒(HIV)的相關(guān)數(shù)據(jù)做了比較。研究發(fā)現(xiàn)，各病毒基因組中微衛(wèi)星序列的相對密度和相對豐度均非常相似，這種現(xiàn)象在HIV的各病毒株間也是同樣存在。馬鈴薯屬病毒和HIV，都是致病性的RNA病毒，有著相似的基因組大小、基因組結(jié)構(gòu)、微衛(wèi)星序列相對密度、相對豐度和堿基組成。其中最

12、大的一個不同是它們所感染的宿主，馬鈴薯屬病毒通常感染的是植物，而HIV則主要是攻擊人類。盡管如此，它們的相同性證明微衛(wèi)星序列絕非是偶然，馬鈴薯屬病毒和HIV可能有著相似的進化模式和平行的進化進程。
　　RNA是馬鈴薯病毒屬各物種的遺傳物質(zhì)，其編碼了功能性的蛋白和結(jié)構(gòu)蛋白等，并最終決定病毒的表型和致病性。RNA上堿基組成的微小差異可能就導(dǎo)致病毒朝著不同的方向進化。本章工作從分子水平上發(fā)現(xiàn)的微衛(wèi)星序列多樣性證明了馬鈴薯病毒屬各物種在基