核苷酸水平上对自然选择作用的检验及人CDYL基因中两个新外显子起源与进化的研究

论文摘要

非编码区序列在基因表达调控中起着重要作用,但其在进化过程中是否受到选择作用一直较难检测。最近有一些研究使用平均的核苷酸替换速率与中性序列的核苷酸替换速率的比值（ω）作为检测非编码区选择作用的指标。ω<1,ω=1 或者ω>1 分别被作为纯化选择（purifying selection）,中性进化和正选择（positive selection）的指示。但是,对于非编码区而言,了解具体哪一些核苷酸受到选择作用更具有意义。本研究借鉴Yang等检测单个氨基酸位点是否受选择作用的思路,在最大似然法的模型下,提出一种在核苷酸位点水平上对自然选择作用检测的方法。研究结果表明: 1.本方法能够检测在进化过程中对功能分化有重要贡献的核苷酸位点,包括编码和非编码区。2.将此方法应用到对HIV-1 的包装蛋白基因正选择位点的分析,结果与用Yang的方法所得到的结果极其相似,说明我们的方法能有效检测受到正选择的编码蛋白基因。3.将此方法同时应用到对非编码区的分析,我们以CTGF 基因的5’UTR 为例,结果表明此方法对非编码区中受到正选择的位点的分析同样有效。经过多年的研究,人们对基因起源和进化规律已开始有了一些初步的了解,已经知道物种间基因的数目上存在着如此巨大的变化,多种分子机制参与了新基因的形成,并且新基因在群体中的固定是受到自然选择作用的。而外显子,它作为基因结构的基本单位,它的起源与进化的研究相对于对新基因的研究还不多,人们对它起源的分子基因与进化力量还不清楚。然而我们知道,在高等生物中,选择性剪切是一种非常重要的产生多样性的手段,能使得生物体已较小的变化与较低的代价获得某些新的蛋白与调控方式。因此研究新外显子的起源与进化也是十分重要的进化生物学的领域。本研究通过人,鼠和猪的同源序列比对,鉴定出了人CDYL 基因中新近起源的两个具有编码功能的外显子。试图通过对新近起源外显子的研究对外显子起源与进化的规律作以初步探讨。研究结果表明: 1. 人CDYL 基因最长的剪切形式,即剪切形式a 的第二和第三外显子,分别记为外显子2 和外显子3,是新近起源的编码蛋白的外显子。2. 新外显子在人中发生快速的进化,并且这种快速的进化很可能是正选择的结果。3. 通过对新外显子的群体遗传学分析,结果表明外显子3 受到的平衡选择的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 第一节 分子进化中描述核苷酸与蛋白质替换的数学模型
• 1.1 核苷酸替换的数学模型
• 1.1.1 P 距离模型
• 1.1.2 Jukes-Cantor 模型
• 1.1.3 Kimura 的双参数模型
• 1.1.4 Tajima 和Nei的等输入模型
• 1.1.5 HKY 模型
• 1.1.6 通用模型
• 1.2 氨基酸替换的数学模型
• 1.2.1 P 距离模型
• 1.2.3 伽马距离（Gamma）模型
• 1.2.4 Dayhoff替换矩阵模型
• 1.3 同义替换速率dS（synonymous substitution）和错义替换速率dN（synonymous substitution）的计算
• 1.3.1 进化通路法（evolutionary pathway method）
• 1.3.2 基于Kimura 双参数模型的方法
• 1.3.3 最大似然法
• 第二节 分子进化中对自然选择作用的检验方法概述
• 2.1 利用种内多态性（polymorphism）的检测方法
• 2.2 利用种间差异度（divergence）的检测方法
• 2.3 同时利用种内多态与种间差异的检测方法
• 2.4 基于系统进化树的检测方法
• 2.4.1 利用Ka/Ks 作为检验自然选择作用的指示
• 2.4.2 利用功能分歧相关系数（coefficient of functional divergence）作为指示的自然选择的检验
• 2.5 其他检验自然选择作用的方法
• 第二章 实验研究
• 第一节 一种新的在核苷酸水平上对自然选择作用的检验方法
• 1.1 本研究的设计思路
• 1.2 模型与方法
• 1.2.1 对序列的位点的进行分类
• 1.2.2 中性替换速率的计算
• 1.2.3 最大似然法估计未知参数
• 1.2.4 似然比检验
• 1.2.5 后验概率的计算
• 1.3 结果与分析
• 1.3.1 对蛋白编码基因的分析
• 1.3.2 对非编码序列的分析
• 1.4 问题与讨论
• 1.4.1 对蛋白编码基因选择作用分析的有效性
• 1.4.2 对非编码区选择作用分析的有效性
• 1.4.3 存在的问题
• 第二节 人CDYL 基因中两个新外显子起源与进化的研究
• 2.1 研究背景
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 人中新的编码外显子的鉴定
• 2.2.3 通过近缘物种比较确定新外显子起源的精确的进化时间
• 2.2.4 PCR 扩增和测序
• 2.2.5 序列数据分析方法
• 2.3 结果和分析
• 2.3.1 新外显子的结构特征和起源方式
• 2.3.2 新编码外显子在灵长类中起源的时间
• 2.3.3 新外显子在人中发生快速的进化
• 2.3.4 新外显子的群体遗传学分析
• 2.4 讨论
• 参考文献
• 附表1
• 附表2
• 致谢
• 作者简介