论文摘要
鲸类(Cetacea)是一类特化的海洋哺乳动物,其祖先约5300万年前从陆地重返海洋,伴随着形态的巨大改变和快速的适应辐射,形成了丰富多样的现生鲸类,主要包括须鲸亚目(Mysticeti)和齿鲸亚目(Odontoceti)。为了适应海洋环境,鲸类进化出特有的解剖结构,包括体形呈流线型,前肢进化为鳍状,后肢退化,颈部不明显,尾端产生尾叶等。鲸类体轴的改变减少了水中运动时的阻力、提高运动速率,从而更好地适应水生环境。但是迄今为止鲸类体轴发育的分子机制仍不清楚。Hox基因家族(Homeobox genes family)在四足动物胚胎发育过程中调控骨的形成以及体轴的形态建成,Hox基因突变会导致机体畸形。因此本研究以Hox基因为候选基因,通过数据库中下载的序列,运用比较基因组学和生物信息学的方法,首先检测哺乳动物Hox基因不同支系的进化模式,特别是鲸类Hox基因是受正选择驱动(positive selection)还是纯化选择(purify selection);其次,探讨鲸类Hox基因的进化模式是否与体轴的改变相一致；并在鲸类代表性物种中进行实验验证,以期在分子水平上阐述鲸类体轴发育的机制。通过对26个Hox基因的进化分析后发现鲸类的大部分支系的ω(dN/ds)值都小于1,暗示鲸类的Hox基因功能总体上受到选择约束。然而,我们检测到5个基因HoxA2、HoxA3、HoxB3、HoxB8和HoxD12受到显著地正选择作用,而且受正选择位点大部分氨基酸的理化性质发生了较大的变化。其中,HoxA2、 HoxA3和HoxB3主要控制颈椎发育,鲸类这三个基因受正选择,提示可能与鲸类颈部缩短以及不同程度的愈合有关；而HoxB8和HoxD12主要控制肢体的发育,提示可能与鲸类前肢进化为鳍状肢、指数减少以及指骨数增多相关,此外,HoxD12基因显著受正选择也在鲸类的7个物种中得到了验证,滑窗模型对HoxD12分析表明正选择位点位于同源框的外部,同源框区域则比较保守,这也验证了之前关于同源框保守性的观点。本研究从分子水平阐释了鲸类体轴的发育机制,为以后进一步研究鲸类体轴发育以及Hox基因的进化提供了一定的参考。