基因組低深度測序探究硬骨魚MHC拷貝數與進化和適應性的關系

2017-01-12    編輯:諾禾致源

研究背景

硬骨魚類包含了大多數的脊椎動物。
表現出大量的遺傳和表型多樣性,如免疫機制的多樣性。
這篇文章通過對66個硬骨魚種類基因組低深度測序組裝和比較基因組學分析,
來研究MHC拷貝數與進化和適應性的關系。

研究結果

1. 66種硬骨魚基因組測序組裝結果

樣本:66種硬骨魚
每個物種測序深度:9~39×
測序平臺:Illumina HiSeq 2000
基因組大小:448~1965Mb
245棋牌 組裝指標:Scaffold N50:3.2kb~71kb




2. 基因組水平的系統發育

為了確定硬骨魚和鱈形目之間的關系,用66個基因組草圖加10個已發表的基因組中的111個直系同源基因中的567個外顯子進行系統進化分析。用貝葉斯系統推演法建立硬骨魚進化的時間軸及免疫基因改變的時間節點。結果發現,枝長和獨特的映射缺失之間并沒有關聯,這表明在本研究的種系發生中,不完全的世系排列并不影響硬骨魚進化的分歧,進化樹進一步證實了鞭尾魚是鱈形目最近的親屬,并且估算出這一世系最老的物種約為8500萬年(圖1)。

圖2 MHC 家族核心基因(左:進化樹,中:關鍵基因,右:拷貝數)


4. MHCⅠ家族拷貝數變化差異和物種多樣性的關系

245棋牌 用比較系統發生學方法研究MHCⅠ家族基因拷貝數的變化與系統進化的關系 (圖3)。結果表明MHC基因之間的平衡是由于檢測和消除病原體之間功能的交換而達到。鱘型目有616種現存物種,表明這些魚類的MHC拷貝數變化和物種分化的速率可能存在關系,通過比較MHCⅠ拷貝數和分化速率的趨勢,發現當拷貝數達到20~25的時候有最大的分化速率,且只對MHCⅠ拷貝數大于20的基因有影響。

圖1 76個魚類物種的時間校正進化關系圖


245棋牌 3. MHC Ⅱ 通路基因丟失和 MHC Ⅰ 拷貝數變異

評估大西洋鱈魚中MHC Ⅱ途徑基因的起源和丟失,用27個在MHC Ⅰ和MHC Ⅱ家族的核心功能的基因及在其他物種中的同源基因建立進化關系(圖2)。研究發現鱘形目的MHC Ⅱ家族通路相關基因丟失。MHC Ⅰ家族基因比對到MHC Ⅰ家族的兩個分支(U和Z-蛋白結合域),且拷貝數是其他魚類的15倍。
245棋牌 作者提出了兩種可能的假說來解釋MHC Ⅱ基因的缺失:(1)為了降低代謝消耗;(2)免疫基因功能轉變導致完全廢棄MHC Ⅱ。通過比較發現,MHC Ⅰ基因的擴張出現在犀鱈科分化之后,也就是在MHC Ⅱ基因缺失之后。



圖3 MHCⅠ拷貝數進化及分化速率分析

研究結論

66種新硬骨魚的基因組草圖組裝為脊椎動物大規模進化枝對比分析提供了可能,
研究人員利用這些信息解開了免疫關鍵基因的進化歷史,揭示了硬骨魚類中MHC基因組成差異對脊椎動物世系進化多樣率的影響。
這一結果擴展了目前對于適應性免疫系統可塑性的理解,同時提出了免疫相關基因在物種多樣性方面的重要意義。