酵母倍增基因功能分化機制研究.pdf

1、基因倍增及之后的功能分化是基因組進化最主要的驅動力之一,是導致生物體復雜性、產生具有新功能的基因和進化出新物種的原因之一。研究倍增基因的功能分化是功能基因組學的一個主要目標,對我們了解新基因的起源、生命體的進化至關重要。本項研究就從現存的倍增基因入手,利用全基因組功能組學數據(主要是酵母)、系統(tǒng)進化分析及相關統(tǒng)計處理,從順式調控因子(TATA box)、反式調控因子(反式調控eQTL)、表觀遺傳修飾(組蛋白修飾)以及功能補償效應角度來闡

2、述這些倍增基因是如何一步步實現功能分化以及功能多樣化,并最終被固定和保留下來。得到的主要結果如下:
　　1)我們觀察到在人類、線蟲、擬南芥和酵母基因組里,TATA box(跟環(huán)境應答相關的順式調控元件)要顯著富集于倍增基因。為進一步研究基因倍增后TATAbox的進化情況,我們對酵母700多個基因家族重構祖先TATA box的狀態(tài),發(fā)現大多數基因家族祖先基因的啟動子區(qū)都是沒有TATA.box的,并且基因倍增后,倍增基因啟動子區(qū)TAT

3、A box的獲得事件要遠遠多于失去事件-總的獲得-失去比率大約是3.4倍。同時,后來獲得TATA box的倍增基因要明顯富集于與環(huán)境應答相關的功能類里(其它含有TATA box的倍增基因一般跟代謝活動相關),并在環(huán)境脅迫條件下經歷更為快速的表達分化(不對稱進化)。因此,我們認為在酵母中,基因倍增后,倍增基因啟動子TATA box的獲得事件加速了倍增基因在環(huán)境變化條件下的表達分化速度并促進該生物體的環(huán)境適應性進化,從而協(xié)助倍增基因在基因組

4、中被順利保留。
　　2)通過對酵母全基因組eQTL數據的分析發(fā)現,倍增基因具有更高的表達遺傳率,但在上位性與方向效應上,與單拷貝基因沒有顯著差異;基因倍增后,倍增基因對之間的反式調控eQTL會隨著進化時間的行進不斷分化;倍增基因反式調控eQTL的分化能解釋其大約21％的表達變異,如果再考慮轉錄因子結合互作分化,解釋率可升至27％:倍增基因對之間的反式調控eQTL分化與基因本體論(Gene Omology)中“生物過程”和“細胞組分

5、”的進化緊密相關,但與“分子功能”無任何關聯(lián)。因此,我們覺得eQTL分析為研究基因倍增對遺傳調控網絡進化的影響提供了一種全新的思路和方法。
　　3)通過對酵母全基因組水平的組蛋白修飾數據分析,我們發(fā)現倍增基因對比隨機單拷貝基因對無論是在啟動子區(qū)還是編碼區(qū)都擁有更為相似的組蛋白修飾譜,并且倍增基因組蛋白修飾譜的分化與其編碼序列、反式調控因子、順式調控因子的進化存在很強的相關性。同時,進一步研究發(fā)現有可能受到反式調控因子作用的倍增基因

6、擁有更為快速分化的組蛋白修飾譜。我們猜測,基因倍增后,基因的組蛋白修飾譜也發(fā)生了復制,之后隨著倍增基因的遺傳因子如序列、調控因子的進化而發(fā)生分化。
　　4)關于倍增基因的功能補償效應,我們提出兩種假說。一種是環(huán)境依賴的倍增基因功能補償效應丟失假說:因為自然環(huán)境選擇效應的存在,保留下來的倍增基因在進化歷史的某一時期或某些環(huán)境中對生物體的生存、繁殖是唯一必需、不可替代的。在這些環(huán)境中,倍增基因的功能補償效應就喪失了。另一種假說是基因網