水稻基因組的進(jìn)化選擇模式研究.pdf

1、達(dá)爾文認(rèn)為自然選擇是進(jìn)化的主要驅(qū)動力,但他的理論提出后,隨后遭受到中性理論者的反對。早期的分子研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),蛋白質(zhì)中的氨基酸的替換大多數(shù)是中性的,只有一些關(guān)鍵的氨基酸改變才能導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能的變化,這個(gè)現(xiàn)象的解釋引起了中性進(jìn)化和選擇理論的激烈爭論。本研究中針對水稻基因組中特殊的三類DNA序列類型進(jìn)行了分子進(jìn)化研究,結(jié)果表明自然選擇在水稻基因組上普遍存在,是水稻基因組演化的主要驅(qū)動力之一。具體研究結(jié)果如下： 1)miRNA目標(biāo)(靶)

2、基因的結(jié)合位點(diǎn) microRNA(miRNA)是在轉(zhuǎn)錄后通過與目標(biāo)mRNA結(jié)合來抑制基因的表達(dá)。了解miRNA結(jié)合位點(diǎn)的進(jìn)化模式將有助于理miRNA和它們目標(biāo)序列的協(xié)同進(jìn)化趨勢。為了研究植物中的以上情況,我們基于以下兩組數(shù)據(jù)展開了調(diào)查研究：(1)全基因組倍增基因中受到miRNA調(diào)控的基因數(shù)據(jù)；(2)6個(gè)受miRNA調(diào)控基因的群體遺傳學(xué)數(shù)據(jù)。利用生物信息學(xué)預(yù)測方法,在1331個(gè)來自全基因組倍增事件的基因?qū)χ?105個(gè)基因?qū)Υ嬖谝阎?/p>

3、miRNA的結(jié)合位點(diǎn)。序列替代分析表明miRNA結(jié)合位點(diǎn)區(qū)域的同義替代率顯著性低于其相鄰的5’端和3’端區(qū)域。在105個(gè)倍增基因?qū)χ?大多數(shù)倍增基因?qū)?86對)中只有一個(gè)同源基因存在miRNA目標(biāo)結(jié)合位點(diǎn)。這一結(jié)果可能是由于基因?qū)υ谌蚪M倍增之后其中一個(gè)同源基因獲得了miRNA結(jié)合位點(diǎn)或者是其中一個(gè)同源基因在全基因組倍增之后丟失了miRNA結(jié)合位點(diǎn)。估計(jì)miRNA的目標(biāo)結(jié)合位點(diǎn)的獲得/丟失率為每年5.2×10-9個(gè),同時(shí)大多數(shù)獲得/丟

4、失(83.8％)是由于核苷酸突變造成的。6個(gè)miRNA結(jié)合位點(diǎn)區(qū)域的栽培稻(30個(gè)樣本)和野生稻(15個(gè)樣本)群體數(shù)據(jù)分析表明,miRNA結(jié)合區(qū)域沒有觀察到分離位點(diǎn),然而其兩端連接區(qū)域在栽培稻和野生稻群體中分別檢測到每21個(gè)堿基存在0.12(栽培群體)和0.20(野生群體)個(gè)分離位點(diǎn),平均核苷酸分歧度(π)分別為0.00153(栽培群體)和0.00180(野生群體)。以上比較基因組學(xué)和群體遺傳學(xué)分析結(jié)果都支持miRNA結(jié)合位點(diǎn)受到明顯的

5、凈化選擇壓的觀點(diǎn),即通過消除有害突變位點(diǎn)來維持其結(jié)合位點(diǎn)的保守性,同時(shí),研究還表明核苷酸突變在獲得/丟失miRNA結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)化過程中扮演著重要角色。 2)非編碼基因序列 基因組內(nèi)存在大量的非蛋白編碼DNA序列,以往的普遍認(rèn)識是這些序列為無功能的序列。然而隨著基因組研究的深入,已發(fā)現(xiàn)這些非編碼DNA序列(例如內(nèi)含子序列)并非沒有功能。一些研究已觀察到人和動物內(nèi)含子的選擇性限制和它們的長度、G+C含量和基因內(nèi)位置的關(guān)聯(lián)性。然

6、而在植物中還未開展類似研究。對于非編碼DNA選擇性限制分析,一般會利用相近物種間的比較和比較的物種存在相似選擇壓的假設(shè)。利用相近物種可以使非編碼區(qū)序列不會因序列分歧過大而難于獲得準(zhǔn)確的序列聯(lián)配結(jié)果。我們利用來自水稻距今約700萬年前的一次片段倍增基因數(shù)據(jù)(其中包括605對同源內(nèi)含子),考察了內(nèi)含子的選擇性限制。主要結(jié)果為：(1)同源內(nèi)含子的分歧度和內(nèi)含子的長度呈負(fù)相關(guān)性,這種進(jìn)化模式和果蠅以及哺乳類動物中的研究結(jié)果相一致；(2)剪接位點(diǎn)

7、區(qū)域存在很強(qiáng)的凈化選擇信號；(3)第一位內(nèi)含子顯著地長于其他內(nèi)含子,并且G+C含量也顯著地高于其他內(nèi)含子；(4)第一位內(nèi)含子和其他內(nèi)含子在分歧程度上沒有顯著差異,這種模式不同于果蠅和哺乳類動物的報(bào)道；(5)內(nèi)含子比四重簡并位點(diǎn)分歧程度要高,這表明四重簡并位點(diǎn)上受到選擇壓的作用。我們的研究結(jié)果還表明,在較長的內(nèi)含子上觀察到了更強(qiáng)烈選擇壓,這表說功能因子可能更多地富集于長內(nèi)含子中,因?yàn)楣δ芤蜃油ǔＪ艿綇?qiáng)烈的凈化選擇作用,該結(jié)果和在剪接位點(diǎn)上

8、觀察到強(qiáng)烈的凈化選擇作用是一致的。和其他物種的研究結(jié)果一樣,選擇性限制在第一位內(nèi)含子上沒有表現(xiàn)出更強(qiáng)的選擇性限制。 3)高G+C含量基因 水稻和其它禾本科基因組內(nèi)存在兩類基因,一類是富含G+C的(所謂高G+C含量基因),另一類是貧乏G+C的(所謂低G+C含量基因)。這兩類基因僅被證實(shí)存在于單子葉,在雙子葉不存在高G+C含量基因。人們一直來試圖了解什么進(jìn)化機(jī)制導(dǎo)致水稻等基因組中兩類編碼區(qū)G+C堿基組成的變異。通常基于估算轉(zhuǎn)

9、錄方向的G+C含量以及同義位點(diǎn)和非同義位點(diǎn)替代率的方法,來考察是否是突變偏好或自然選擇作為水稻G+C含量進(jìn)化的變異機(jī)制。通過分析水稻高低G+C含量的同源基因,我們發(fā)現(xiàn)：(1)四重簡并位點(diǎn)G+C含量明顯高于內(nèi)含子；(2)利用擬南芥基因組中直系同源基因作為參照來比較水稻高低G+C含量的同源基因,結(jié)果表明水稻這兩類同源基因在2重和4重簡并位點(diǎn)上以T→C替換模式為主,而A→C和A→G替換模式主要發(fā)生在0重簡并位點(diǎn)上；(3)有效密碼子數(shù)目(Nc)