水稻基因組的進化選擇模式研究.pdf

1、達爾文認為自然選擇是進化的主要驅動力,但他的理論提出后,隨后遭受到中性理論者的反對。早期的分子研究結果發(fā)現,蛋白質中的氨基酸的替換大多數是中性的,只有一些關鍵的氨基酸改變才能導致蛋白質功能的變化,這個現象的解釋引起了中性進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序列類型進行了分子進化研究,結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動力之一。具體研究結果如下： 1)miRNA目標(靶)

2、基因的結合位點 microRNA(miRNA)是在轉錄后通過與目標mRNA結合來抑制基因的表達。了解miRNA結合位點的進化模式將有助于理miRNA和它們目標序列的協同進化趨勢。為了研究植物中的以上情況,我們基于以下兩組數據展開了調查研究：(1)全基因組倍增基因中受到miRNA調控的基因數據；(2)6個受miRNA調控基因的群體遺傳學數據。利用生物信息學預測方法,在1331個來自全基因組倍增事件的基因對中,105個基因對存在已知

3、miRNA的結合位點。序列替代分析表明miRNA結合位點區(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個倍增基因對中,大多數倍增基因對(86對)中只有一個同源基因存在miRNA目標結合位點。這一結果可能是由于基因對在全基因組倍增之后其中一個同源基因獲得了miRNA結合位點或者是其中一個同源基因在全基因組倍增之后丟失了miRNA結合位點。估計miRNA的目標結合位點的獲得/丟失率為每年5.2×10-9個,同時大多數獲得/丟

4、失(83.8％)是由于核苷酸突變造成的。6個miRNA結合位點區(qū)域的栽培稻(30個樣本)和野生稻(15個樣本)群體數據分析表明,miRNA結合區(qū)域沒有觀察到分離位點,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個堿基存在0.12(栽培群體)和0.20(野生群體)個分離位點,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)。以上比較基因組學和群體遺傳學分析結果都支持miRNA結合位點受到明顯的

5、凈化選擇壓的觀點,即通過消除有害突變位點來維持其結合位點的保守性,同時,研究還表明核苷酸突變在獲得/丟失miRNA結合位點進化過程中扮演著重要角色。 2)非編碼基因序列 基因組內存在大量的非蛋白編碼DNA序列,以往的普遍認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)現這些非編碼DNA序列(例如內含子序列)并非沒有功能。一些研究已觀察到人和動物內含子的選擇性限制和它們的長度、G+C含量和基因內位置的關聯性。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。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確的序列聯配結果。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據(其中包括605對同源內含子),考察了內含子的選擇性限制。主要結果為：(1)同源內含子的分歧度和內含子的長度呈負相關性,這種進化模式和果蠅以及哺乳類動物中的研究結果相一致；(2)剪接位點

7、區(qū)域存在很強的凈化選擇信號；(3)第一位內含子顯著地長于其他內含子,并且G+C含量也顯著地高于其他內含子；(4)第一位內含子和其他內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道；(5)內含子比四重簡并位點分歧程度要高,這表明四重簡并位點上受到選擇壓的作用。我們的研究結果還表明,在較長的內含子上觀察到了更強烈選擇壓,這表說功能因子可能更多地富集于長內含子中,因為功能因子通常受到強烈的凈化選擇作用,該結果和在剪接位點上

8、觀察到強烈的凈化選擇作用是一致的。和其他物種的研究結果一樣,選擇性限制在第一位內含子上沒有表現出更強的選擇性限制。 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化機制導致水稻等基因組中兩類編碼區(qū)G+C堿基組成的變異。通?；诠浪戕D

9、錄方向的G+C含量以及同義位點和非同義位點替代率的方法,來考察是否是突變偏好或自然選擇作為水稻G+C含量進化的變異機制。通過分析水稻高低G+C含量的同源基因,我們發(fā)現：(1)四重簡并位點G+C含量明顯高于內含子；(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,結果表明水稻這兩類同源基因在2重和4重簡并位點上以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重簡并位點上；(3)有效密碼子數目(Nc)