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随着越来越多的动物全基因组序列的公布,如何挖掘利用基因组数据中隐藏的内在信息、利用基因组数据更好的为功能基因组研究服务成了当前研究的一个热点。本研究利用10种动物全基因组数据,通过比较基因组、生物信息学等方法,系统的分析了鸡基因组中受到的自然选择的基因,并且对基因复制后的进化动力进行了研究。在这些研究的基础上,以对流感抗性的Mx基因为例,通过分子群体遗传学、进化生物学等分析,详细的研究了Mx基因的进化以及重要功能变异位点。结果显示,通过比较基因组、生物信息学等方法,能有效的发现基因组中受到自然选择的基因,为功能基因组研究提供了良好的研究基础。
本研究首先利用10种动物的基因组数据,利用比较基因组学与生物信息学的方法,建立了脊椎动物物种特异复制数据库(VLSD,http://bioinformatics.cau.edu.cn/dupGene),并且发布在网上供公共查询。通过Web界面,研究人员可以自由查询在10个脊椎动物中的物种特异复制的基冈,进行Clustal W多序列比对以及GO查询等。
我们首次完整的定义了10种物种特异复制的基因类型,在VLSD的基础上,利用进化生物学的方法进行系统的研究基因复制后的进化动力学。本研究发现在鸡基因组中,基因复制后有高达70%以上的基因受到自然选择,显著高于DDC模型预测的结果以及Ohno的理论预期,这些基因主要属于分子功能分类(molecular function)。利用分支一位点模型,在948个基因家族中,我们系统的研究了鸡分支中受到自然选择的基因。结果表明,用改进的分支一位点模型发现了有大约20%的基因受到了自然选择。对这些基因的功能注释表明。这些基因主要与DNA复制、免疫等功能相关,构成了重要的候选功能基因库。
在系统寻找受到自然选择的基因的基础上,对影响鸡流感抗性的基因Mx进行了专门的研究。利用目前已有的数据,从分子群体遗传学出发,发现Mx基因在哺乳动物中非常保守,处于负选择状态。分子进化分析揭示了Mx基因在鸡、鸭中加速进化,并且在鸡中的进化速度比鸭还要快(Tajima’s RRT’X<2>=7.17,p<0.01)。研究结果表明,在鸡分支中,Mx基因受到强烈的自然选择(ω=4.374,2△e=14.20,d.f.=1,p<0.001),该基因至少有8个位点受到自然选择(p<0.05),并且这些位点已经在鸡分支中固定。结合其它的试验证据,我们推测鸡为了抵抗物种特有的病原或者环境的改变,Mx基因在鸡分支中已经加速进化。
本研究系统发现了鸡基因组中受到自然选择的基因。自然选择在物种特异复制基因的进化过程中,起到了重要作用。对Mx基因进行了专门分析,证明利用系统的基因组分析的方式能有效地发现物种特异进化的基因,而这些基因对一些性状有重要影响,可以作为候选功能基因库。