昆蟲基因組密碼子使用及進(jìn)化分析.pdf

1、隨著測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)獲得了大約20多種昆蟲的全基因組和大約100多種昆蟲的線粒體基因組序列。然而單純獲取全基因組序列已經(jīng)不能滿足科學(xué)研究的需求，要求研究人員對(duì)已知基因組序列進(jìn)行深入分析和研究，進(jìn)而挖掘其中隱含的生物學(xué)和物種進(jìn)化信息?，F(xiàn)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的基因序列呈指數(shù)級(jí)增加，相應(yīng)的分析工具也是與日俱增，這為生物學(xué)工作者提供了極大的方便。 昆蟲屬于節(jié)肢動(dòng)物門、六足總綱、昆蟲綱，是地球上已知種群數(shù)目最多的一個(gè)類群。昆蟲學(xué)的研究對(duì)

2、于維持地球生態(tài)平衡、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展、防治農(nóng)業(yè)和林業(yè)病蟲害具有極其重要的作用。在昆蟲細(xì)胞內(nèi)主要有兩個(gè)基因組，核基因組和線粒體基因組。核基因組具有較多的非編碼區(qū)、重復(fù)序列、內(nèi)含子以及大量的重排現(xiàn)象，不同的物種間具有比較大的差異；線粒體基因組的組成則在同一個(gè)動(dòng)物門中具有較高的保守性，一般情況下是一個(gè)雙鏈閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)，它包含13個(gè)蛋白編碼基因，2個(gè)核糖RNA(rRNA)的編碼基因以及22個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)的編碼基因。此外，在大多數(shù)昆蟲細(xì)胞

3、內(nèi)寄生著一種內(nèi)共生菌Wolbachia，它是一種革蘭氏陰性alpha-蛋白菌，它主要感染節(jié)肢動(dòng)物和絲蟲。它可以通過(guò)誘導(dǎo)孤雌生殖、雄性雌性化、殺雄以及精卵不相容等生殖操縱而改變寄主的生物學(xué)特性。 本研究將使用對(duì)應(yīng)分析、卡方檢驗(yàn)和似然比檢驗(yàn)等生物信息學(xué)的方法來(lái)檢測(cè)昆蟲中所包含的核基因組、線粒體基因組和Wolbaehia核基因組的密碼子使用偏好性、密碼子進(jìn)化趨勢(shì)以及各個(gè)基因組之間密碼子使用的相關(guān)度。 線粒體基因所編碼的蛋白對(duì)于

4、維持生物體的生命活動(dòng)具有重要意義。故本研究對(duì)昆蟲線粒體基因組的密碼子組成和tRNA分子的使用情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，在昆蟲線粒體基因組中，有10種最優(yōu)密碼子與對(duì)應(yīng)tRNA分子上的反密碼子不能完全匹配。這一結(jié)果與哺乳動(dòng)物、魚類以及真菌的線粒體基因組中密碼子使用情況是不同的。故推測(cè)昆蟲線粒體基因組中的密碼子使用沒(méi)有受到tRNA豐度的影響，它們是獨(dú)立于tRNA分子的豐度進(jìn)化而來(lái)的，并且這種不匹配的現(xiàn)象在昆蟲線粒體基因組中是普遍存在的，其

5、機(jī)理還有待于進(jìn)一步的研究。 線粒體基因所編碼的蛋白不能單獨(dú)起作用，它需要核基因所編碼的蛋白共同組成細(xì)胞內(nèi)電子傳遞鏈上的復(fù)合體來(lái)參與完成氧化磷酸化過(guò)程。氧化磷酸化過(guò)程是細(xì)胞中唯一一個(gè)同時(shí)有核基因和線粒體基因共同參與的過(guò)程，它們之間存在著協(xié)同進(jìn)化關(guān)系。本研究以黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)為對(duì)象，探討參與氧化磷酸化過(guò)程的核基因以及線粒體基因的密碼子組成情況。研究結(jié)果顯示黑腹果蠅氧化磷酸化系統(tǒng)中核基因的密碼

6、子組成主要受到翻譯選擇和基因組堿基組成的影響；而線粒體基因的密碼子組成，通過(guò)對(duì)應(yīng)分析并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)主要影響因素，可能和細(xì)胞器的起源有關(guān)，并不受到功能的限制。盡管黑腹果蠅氧化磷酸化系統(tǒng)中的核基因和線粒體基因具有相關(guān)的功能并且彼此之間是協(xié)同進(jìn)化的，但它們具有明顯不同的密碼子使用模式，因此這種協(xié)同進(jìn)化作用主要是通過(guò)基因所編碼蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出來(lái)的。通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)表明，核基因和線粒體基因的密碼子組成都受到了堿基關(guān)聯(lián)突變(context-depend

7、ent mutation)的影響。 除核基因組和線粒體基因組之外，昆蟲細(xì)胞內(nèi)可能還包含胞內(nèi)共生菌Wolbachia的基因組。由于Wolbachia的基因組和昆蟲的線粒體基因組具有較高的相似度，如共同的祖先alpha-蛋白菌，以及母系遺傳的特點(diǎn)，故可能從Wolbachia核基因組和昆蟲線粒體基因組的密碼子組成或基因組組成的方面來(lái)進(jìn)一步尋找它們共同起源的證據(jù)。本研究以黑腹果蠅中的專性胞內(nèi)寄生菌Wolbachia pipientis

8、wMel為研究對(duì)象，分析表明Wolbachiapipientis wMel基因組具有較高的AT堿基含量，并且不管是高表達(dá)基因還是低表達(dá)基因都傾向于使用富含AT的密碼子。Nc-plot結(jié)果顯示基因組堿基組成可能是影響密碼子組成的因素。對(duì)應(yīng)分析顯示基因組中的密碼子組成還可能受到基因長(zhǎng)度和基因表達(dá)水平的影響。Wolbachia pipientis wMel作為革蘭氏陰性alpha蛋白菌，它的基因組與動(dòng)物線粒體基因組具有的相似之處，如較高的AT

9、堿基含量，可以進(jìn)一步印證Wolbachia和線粒體之間的密切關(guān)系。 以上分析過(guò)程中，本研究選用了一個(gè)重要參數(shù)：CAI(codon adaptation index)，該參數(shù)盡管存在一定的爭(zhēng)議，卻具有比較大的用途。在剛測(cè)出全序列的基因組中，有些基因的表達(dá)水平通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證比較費(fèi)時(shí)間，且成本比較高，那么就可以使用CAI值來(lái)估計(jì)一些未知基因的表達(dá)水平高低。CAI值我們稱為密碼子適應(yīng)指數(shù)，它的變化范圍位于0到1.0之間。它的值越高意味著具

10、有較高的密碼子偏好性，以及較高的表達(dá)水平。目前，有10條果蠅的全基因組被成功測(cè)序，為生物學(xué)研究提供了足夠的數(shù)據(jù)支持。本研究下載了7種果蠅中與侵略性(Aggressive)相關(guān)的基因CYP6A20，通過(guò)比較這7種果蠅的CYP6A20基因的CAI值，本文對(duì)這7種果蠅的侵略性水平進(jìn)行了推測(cè)。需要聲明的是，由于缺少行為學(xué)的直接證據(jù)，且CAI值的計(jì)算也存在偏差，結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)誤差，但是CAI值在后基因組時(shí)代的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。 基于密碼子

11、水平上的選擇壓力分析對(duì)于研究基因進(jìn)化具有重要作用。本研究討論了昆蟲細(xì)胞色素氧化酶亞基I(COI)的適應(yīng)性進(jìn)化。昆蟲作為地球上最大的一個(gè)類群，盡管同一個(gè)動(dòng)物門中的線粒體基因組比較保守，但是它們?cè)谛蛄猩线€是有明顯的不同。隨著后基因組時(shí)代的到來(lái)，有越來(lái)越多的昆蟲線粒體基因組被測(cè)序，這為研究昆蟲中COI基因的系統(tǒng)進(jìn)化提供了新的角度。通過(guò)對(duì)31條昆蟲線粒體中蛋白編碼基因COI的分析，表明COI基因受到了較強(qiáng)的凈化選擇壓力。但是昆蟲所面臨的生存壓力