斑點雀鱔基因組解析

2017-03-10    編輯:諾禾致源
研究背景

245棋牌為什么硬骨魚類和人類基因組的連接較為困難?

? 兩次的脊椎動物基因組復制(VGD)事件以及隨后一些硬骨魚類和四足動物之間ohnologs基因(來源于基因組復制的基因重復)的丟失;
? 硬骨魚類基因組復制(TGD)事件導致了很多人類基因的重復;
? 快速的硬骨魚類序列進化阻礙了同源基因的鑒定。

然而雀鱔卻不存在這些問題。斑點雀鱔是在TGD事件之前與硬骨魚類分歧進化的,未受到這一事件的影響,并且斑點雀鱔進化比較緩慢,許多整條的染色體和450萬年前的四足動物仍保持著保守性。(圖1)

245棋牌 圖1 斑點雀鱔可作為連接脊椎動物的橋梁

研究方法

研究犧牲了一只野生成年雌性斑點雀鱔,分別建立了180bp、3kb、6~14kb等不同大小插入片段的文庫,利用Illumina平臺對斑點雀鱔進行全基因組測序分析,總測序深度達到90×。之后對雀鱔不同組織及發育階段的胚胎進行了轉錄組分析,并與其他魚類(斑馬魚、青鳉魚)等進行了比較基因組分析,探究了雀鱔作為進化、醫學等研究“橋梁”的可行性和實用性。


研究成果

1. 基因組圖譜繪制

組裝后的斑點雀鱔基因組大小約為945Mb,組裝結果中contig N50:68.3 Kb,scaffold N50:6.9 Mb,并進一步定位到了染色體水平,共形成29個連鎖群,包含94%的堿基序列。重復序列含量達到整個基因組的20%,共預測了39771個蛋白編碼基因。

2. 斑點雀鱔基因組進化緩慢

245棋牌比較基因組分析和轉錄組分析明確表明真骨魚類單品系(雀鱔和弓鰭魚)是硬骨魚類的姐妹組,雀鱔體現出低速率的形態和表型進化,此外,真骨魚類到軟骨外類群的進化分支長度明顯比其他骨脊椎動物要短。研究結果支持了一個假說:TGD時間可能促進了硬骨魚類序列的快速進化。(圖2)

245棋牌 圖2 包含斑點雀鱔的系統進化樹

3. 斑點雀鱔揭示脊椎動物核型的演變

斑點雀鱔代表第一個非四足動物、非硬骨魚類有顎脊椎動物的染色體,能夠實現大范圍的基因序列分析而不受TGD事件的混雜影響。雀鱔核型(2n=58)同時包含大染色體和微型染色體。(圖3,左上角)將斑點雀鱔染色體和人類、雞、硬骨魚類比對,突出了所有物種中同源片段的保守性差異(圖3,上方右邊兩張圖,下方左邊兩張圖)。雀鱔和雞的比對體現出很多整條染色體的保守性(圖3,右上角),幾乎一半的雀鱔核型在比對中體現接近一對一的關系,包括具有高度相關性染色體組裝長度的微型染色體和大染色體(圖3,左下角)。這些染色體大小和基因內容的相似性都證明了Ohno假說:斑點雀鱔和雞的共有骨脊椎動物祖先同時具有大染色體和微型染色體。
245棋牌斑點雀鱔的染色體還證實了另一假說:TGD事件之后(也可能是TGD事件導致的)硬骨魚中染色體重排的數量增多。硬骨魚中每一個TGD來源的基因對都和不止一條雀鱔染色體表現出保守共線性,說明TGD之前發生了重排(圖3,下方中間圖)。雀鱔和雞共有很多整條的染色體,和硬骨魚類卻很少,這些結果說明,之前認為輻鰭魚綱從總鰭分化出來后發生的染色體融合,實際發生在和雀鱔分化后的硬骨魚類種,并且在TGD事件之后(圖3,右下角)。這一發現解釋了為什么斑點雀鱔沒有發生TGD事件,卻比典型硬骨魚類的染色體多。

245棋牌 圖3 斑點雀鱔保留了祖先的基因組結構

4. 斑點雀鱔揭示脊椎動物礦化組織、miRNA組的演變

脊椎動物都有礦化組織,但硬骨魚和四足動物形成組織的分泌性鈣結合磷酸蛋白(Scpp)基因差異和進化過程等仍存在爭議。哺乳動物被認為含有最多數量的Scpp基因(如人類有23個),而硬骨魚類只有兩個,雀鱔中確定了35個Scpp基因。編碼成釉蛋白(AMBN)、釉蛋白(Enam) 和釉原蛋白(Amel) 的釉基質蛋白基因在葉鰭脊椎動物發現,但在硬骨魚類中沒有,而后者缺少琺瑯耐受性的牙齒,這些基因在雀鱔中都鑒定出來。(圖4,左上角)盡管硬骨魚和葉鰭脊椎動物分別丟失了Scpp基因,但雀鱔卻保留了兩個物種共有的特征。
此外,斑點雀鱔這一“橋梁”幫助確定了miRNA的同源性,例如,哺乳動物中的Mir425Mir191 基因之前認為在硬骨魚中發生了丟失,實際是與其中的mir731mir462 基因分別同源(圖4,右上角);哺乳動物中的Mir135B 基因和雀鱔中的mir135c 基因同源,和斑馬魚來源于TGD事件的mir135c-1mir135c-2 基因同源(圖4,右下角)。

245棋牌 圖4 斑點雀鱔幫助研究脊椎動物的蛋白編碼基因和miRNA基因

5. 斑點雀鱔揭示出隱藏的順式調控元件同源基因

CNE分析表明雀鱔中含有大多硬骨魚類中沒有的CNE,而這些通過人和硬骨魚的直接比對是不能發現的。通過雀鱔這一“橋梁”,確定了29個人類啟動子不能直接在硬骨魚類中檢測到,是否表示快速的進化分歧而不是確定的基因丟失(圖5,上圖),比對發現至少48%的啟動子能夠在硬骨魚中比對到至少一個,因此雀鱔在很大程度上幫助人們了解脊椎動物四肢增強子的起源以及其在硬骨魚類中的命運(圖5,下圖)。此外,研究發現硬骨魚比雀鱔丟失了更多的四肢增強子,說明對于研究鰭到四肢的過渡,雀鱔相比于硬骨魚可能是更好的模型。

245棋牌 圖5 斑點雀鱔為脊椎動物調控元件的研究提供關聯

245棋牌此外,一種HoxD四肢增強子的功能性實驗檢測了雀鱔CNE橋梁的實用型。HoxD和HoxA分別在哺乳動物四肢基因表達的早期和晚期階段。CNS39和CNS65在哺乳動物中激活早期的HoxD,通過雀鱔這一橋梁檢測到了硬骨魚中的CNS65(圖6,上圖)。為了研究隱藏的CNE同源基因是否還保留增強子功能,研究利用CNS65受體簇轉基因到斑馬魚和小鼠。無論是雀鱔或斑馬魚中的CNS65都促進發育中斑馬魚胸鰭的早期表達(圖6,中間圖)。雀鱔中CNS65對小鼠前肢和后肢促進活性和小鼠的CNS65是幾乎一致的,而斑馬魚CNS65的作用較弱。之后雀鱔CNS65模仿內源性小鼠增強子激活近端而不是遠端四肢的基因表達(圖6,下圖)。這些功能實驗表明HoxD在四肢或鰭中的早期表達的調節是來自同一個祖先。

245棋牌 圖6 斑點雀鱔和硬骨魚類早期HoxD增強子CNS65的確定和功能分析


參考文獻

Braasch I, Gehrke AR, Smith JJ, et al. The spotted gar genome illuminates vertebrate evolution and facilitates human-teleost comparisons. Nat Genet. 2016, 3526.