基因组中新遗传结构的起源与进化

生物遗传物质的多样性从根本上决定了当今地球上生命世界的丰富多 彩。然而生命在漫长的进化历程中如何从最原始的生命形态不断演变，创造 出如此巨大的多样性，是自然留给我们最吸引人的奥秘之一。因此对于分子 进化生物学或进化基因组学的研究者来说，承载生命遗传信息的基因组如何 进化一直以来都是大家关注的一个基本科学命题。本研究主要从两个方面探 讨了基因组中新遗传结构起源的分子机制和进化模式，一方面我们以实验的 方法在黑腹果蝇亚种组中大规模地对新基因进行筛选和鉴定，探讨了果蝇基 因组中新基因起源的分子机制和进化模式；另一方面我们以生物信息学手段 对啮齿类动物大鼠和小鼠进行比较基因组研究，以人和猪的转录序列作为外 群，鉴定了大量啮齿类特有的新外显子，并对这些新外显子的进化特征和产 生机制做了研究。 在果蝇基因组新基因起源与进化的研究工作中，我们综合运用了荧光原 位杂交(fluorescent in situ hybridization, FISH)，Southern 印迹 (Southern blotting)，表达转录分析，生物信息确认和进化速率分析等技术和分析手段， 通过对黑腹果蝇约7000 个基因在黑腹果蝇亚种组8 个近缘物种中同源拷贝数 分布的筛选，鉴定了17 个年轻的散在重复新基因，并对这些新基因的结构、 表达和进化进行了全面的分析。结果表明，DNA 水平的重组机制产生了大量 的新的与祖先基因结构没有冗余的散在重复基因，它们的基因结构以很高的 频率形成了嵌合结构。这些新散在重复基因形成嵌合基因的机会有可能大大 高于预期。同时，我们提供了有力证据证明，重复序列特别是DNAREP1 转 座子很可能通过了非等位同源重组方式介导了散在重复基因的形成。最后， 运用多种行之有效的分析方法，我们证明绝大部分的这些新的嵌合重复基因 是有功能的。在啮齿类新外显子的起源与进化研究中，我们首先利用有完整序列信息 的人和小鼠的基因组，通过同源比对确定了人和小鼠间12,419 个直系同源的 基因组转录单元，这些基因组转录单元中71,039 个大、小鼠共有且相位定义 清晰的外显子被用作后续的分析。通过与人的基因组序列相比较，并进一步 以猪的转录组序列作为第二外群排除掉可能是在人的基因组中丢失的外显子 后，我们共确定了2,695 个啮齿类特有的新外显子。随后对这些新外显子产 生的机制、进化速率、潜在功能以及与选择性剪接之间的关系进行了讨论。 结果显示多数新外显子来自内含子的非重复序列，存在快速的碱基非同义替 换和插入缺失，功能分布上最多的是参与细胞外结合和蛋白间相互作用，提 示这些新外显子的产生可能与啮齿类与外界环境的适应性进化相关。对这些 新外显子与选择性剪接之间关系所做的分析表明，大多数的新外显子存在于 表达量较低的选择性剪接形式中，这说明这些外显子通常参与形成执行组织 特异功能的表达形式，也从一定程度上解释了这些外显子何以能够摆脱对基 因的功能限制而产生较快的进化速度。 总之，上述对果蝇基因组中新基因和啮齿类基因组中新外显子的起源和 进化的研究结果表明，基因组中通过新基因或新外显子等基因组新材料产生 新功能的进化过程是常见的和重要的遗传机制。

Genomic regions harboring insecticide resistance-associated Cyp genes are enriched by transposable element fragments carrying putative transcription factor binding sites in two sibling Drosophila species

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