基因組測序揭示鯰魚鱗片形成機制

2017-01-19    編輯:諾禾致源
溝鯰的起源

245棋牌 溝鯰原產于美國的密西西比河流域,是大型的淡水鯰科魚類,最大個體可達70斤以上。80年代中后期才開始引進我國,分類地位上屬于硬骨魚綱、鯰形目、鯰科。該魚營養豐富,富含蛋白質,并含有多種礦物質和微量元素,特別適合體弱、營養不良之人食用。

溝鯰基因組

溝鯰的基因組,在今年6月份被美國奧本大學和美國國家生物防御分析與對策中心等機構合作解析完成,研究成果發表在Nature communications(IF=11.329)。值得一提的是奧本大學在海洋生物及水產等方面的研究在全世界屬于頂尖地位。為減少基因組組裝的復雜度,研究采用溝鯰的雙單倍體進行測序。該魚包含29對染色體,通過K-mer預估的基因組大小為1G。采用Illumina+Pacbio+BAC-end策略對基因組進行測序,所建文庫400bp、3Kb、8Kb、34Kb等,采用MaSuRCA軟件對測得的序列進行拼接,對于初步組裝得到的Scaffold,采用Illumina-corrected Pacbio序列進行補洞,然后利用BAC-end數據對Scaffold進一步組裝,最終組裝得到的基因組大小為783Mb(34,615個Contigs和9974個Scaffolds),ContigN50為77.2Kb,ScaffoldN50為7.72Mb,并且利用連鎖圖譜的SNP標記將96.8%組裝的基因組能夠錨定到29條染色體上。對于未組裝的159Mb的序列,分析發現都是屬于高重復序列,具體組裝指標見下表。


表1 鯰魚基因組組裝指標

評估基因組組裝的正確性

245棋牌 首先通過利用連鎖圖譜中的SNP標記驗證了基因組的準確性,溝鯰的連鎖圖譜包含54,000個SNP位點,其中31,387個SNP位點是29個連鎖群所特有的。最大的163個Scaffolds(649Mb)跨越的3~92.6cM與連鎖群是一致的(圖1,左圖)。其次通過BAC-end測序得到的序列,將其mapped到參考基因組中,BAC插入片段的大小與參考基因組幾乎是一致的(圖1,右圖)。

245棋牌 圖1 評估基因組組裝的準確性



基因組注釋

溝鯰的基因組預測共有26,661個編碼蛋白的基因,98.95%的基因可以通過EST和RNA-seq數據所證實。這些基因在29條染色體進行分布(圖3)。總的來說鯰魚基因組中所含的基因數量與斑馬魚中類似,與斑馬魚基因組進行比較,通過基因家族聚類分析發現鯰魚中存在1010個特有的基因,其中包括143個旁系同源基因和867個單拷貝基因。斑馬魚中特有的基因是931個(243個旁系同源基因和688個單拷貝基因)(圖2)。

245棋牌 圖2 鯰魚和斑馬魚基因家族聚類分析

圖3 基因在染色體中分布圖
A:基因在染色體分布狀況;B:單核苷酸變異;
C:與四足類動物相比硬骨魚特有的基因;D:與軟骨魚相比,硬骨魚特有的基因



遺傳變異及群體進化歷史分析

以往的研究表明,在軟骨魚中進化速度較慢而在硬骨魚中進化速度較快,研究對150個個體進行重測序分析,并將測得的序列與參考基因組進行比較發現,在鯰魚中SNP密度特別高,每93bp就會有一個SNP位點。這些高突變的區域包括111個基因,其中40個涉及到免疫相關的功能。同時發現許多硬骨魚特有的免疫相關的基因都具有較高的SNP率。基于鯰魚高的SNP率,對鯰魚進行群體進化分析,發現鯰魚在冰河世紀時期數量出現銳減,在后期間冰期,群體又慢慢恢復過來(圖4)。

圖4 溝鯰群體進化歷史



硬骨魚中的遺傳標志

該研究在硬骨魚中識別了297個基因,這些基因并不存在于四足類動物中,對這些基因進行分析發現,這些基因主要參與魚的免疫功能、嗅覺器官的發育以及鰭的發育。同時在硬骨魚中識別了280個基因,這些基因在軟骨魚中是不存在的,對這些基因進行功能聚類發現,這些基因主要參與骨的發育、氣囊的發育以及免疫相關的功能(圖5)。

圖5 硬骨魚中遺傳標志



基因組揭示鱗片的形成機制

大多數鯰魚都沒有鱗片,為了確定魚鱗的形成機制,我們首先確定了已知的一些與鱗片形成相關的基因,這些基因是否在鯰魚中出現突變。通過測序發現,這些已知與鱗片相關的基因在鯰魚中都存在,并且可以正常表達。說明這些基因對于鯰魚不形成鱗片并不起作用。進一步我們通過比較有鱗魚和無鱗魚轉錄組進行分析,發現836個基因在有鱗魚中表達但在鯰魚中不表達,進一步通過鱗片發育實驗確定了13個與鱗片形成有關的基因,其中10個上調3個下調。這10個上調基因中占主導作用兩個基因是載脂基因和SCPP基因,載脂基因被報道參與脂肪代謝和斑馬魚中鱗片的形成,而SCPP參與骨骼肌發育和牙齒組織鈣化等。在鱗片形成過程中,SCPP7基因表達明顯上升。研究的初步結果表明,SCPP基因參與鱗片的形成(圖6)。


圖6 鱗片形成機制的研究

參考文獻

Liu Z, Liu S, Yao J, et al. The channel catfish genome sequence providesinsights into the evolution of scale formation in teleosts. Nature communications, 2016, 7.