大蹄蝠、大菊头蝠及红白鼯鼠线粒体全基因组序列分析

论文摘要

线粒体作为绝大多数真核细胞生物体内的一种重要且基本的细胞器,拥有自己的基因组参与疾病、衰老和细胞凋亡等相关代谢过程。同时它还是细胞进行氧化磷酸化的场所,是ATP形成的主要场所。除此而外它还具有许多重要的生物学特征：母系遗传模式,非常低的重组率,所含的基因组较小且基因含量相对稳定,相对于核基因组有较高的突变率,结构简单等。线粒体所具有的这些特征使得线粒体序列在系统发生重建、种群遗传学、生物地理学等研究方面的有力工具。然而线粒体全基因组序列不但能够提供比单个基因更多的可用信息外,还能提供一系列可用于研究基因组进化模式和系统发生重建的基因组水平的特征信息。这些信息包括,基因组成及排列结构,碱基组成,基因组复制和转录模式,tRNA和rRNA基因的二级结构,遗传密码子的变异等。随着技术的发展,测定线粒体全基因组序列已经变得更加容易,使得利用线粒体全基因组序列研究物种的进化关系变得越来越普遍。线粒体假基因（NUMT）是存在于核基因组中与线粒体功能基因具有相似性的DNA片段,但是由于有重要的缺陷,不能转录翻译出功能蛋白。线粒体假基因已被报道广泛存在于真核生物中,包括真菌、植物和后生动物。线粒体假基因的存在会给涉及线粒体序列的研究工作带来干扰,但同时他们在推断遗传和进化方面非常有用。为了大蹄蝠、大菊头蝠和红白鼯鼠的保护遗传学及其相关方面的研究,我们测定了大蹄蝠（Hipposideros armiger）、大菊头蝠（Rhinolophus luctus）口红白鼯鼠（Petaurista alborufus）的线粒体全序列和红白鼯鼠的一个线粒体假基因。主要研究结果如下：1.根据己知的翼手目物种的线粒体基因组序列,我们设计特异引物并利用长的高保真聚合酶链式反应（LA-PCR）口引物步移的测序方式,扩增出了大蹄蝠和大菊头蝠线粒体基因组的全序列。其中大蹄蝠基因组全序列长16784bp,大菊头蝠线粒体基因组全序列长16775bp。大蹄蝠和大菊头蝠线粒体基因组都包含2个核糖体RNA（ribosomal RNA, rRNA）,13个蛋白质编码基因,22个转运RNA（transfer RNA, tRNA）基因,一个轻链复制起点（origin of L-strand replication, OL）和一个控制区。它们在线粒体基因组上的排列顺序和大多数脊椎动物是一致的。轻链复制起点位于一个有5个tRNA基因串联组成的区域（WANCY区）,由33个碱基组成。在控制区中,鉴定了延伸终止序歹（extended termination associated）和保守“模块”（conserved sequence block, CSB）。在大蹄蝠的控制区我们检测到了两个重复序列分别长26bp和6bp,而在大菊头蝠中这只检测到一个长11bp的重复序列。利用重链上串联的12蛋白编码基因的序列,使用贝叶斯（Bayesian）和最大简约法（MaximumparsimonyMP）分析了翼手目中12个物种的分子系统发生关系,这两种方法得到了相似的系统进化树。结合线粒体基因组碱基含量的分析和系统进化树分析,我们得出结论：翼手目的物种可以分为两个大的亚目,即Yinpterochiroptera和Yangochiroptera。2.根据已知的啮齿目物种的线粒体基因组序列,我们设计特异引物并利用长的高保真聚合酶链式反应（LA-PCR）和引物步移测序方式,扩增出了红白鼯鼠线粒体基因组的全序列,其基因组全序列长16507bp。经分析发现,红白鼯鼠的线粒体基因组都包含2个核糖体RNA（ribosomal RNA, rRNA）,13个蛋白质编码基因,22个转运RNA（transfer RNA, tRNA）基因,一个轻链复制起点（origin of L-strand replication,OL）和一个控制区。他们在线粒体基因组上的排列顺序和大多数脊椎动物是一致的。轻链复制起点位于一个有5个tRNA基因串联组成的区域（WANCY区）,由33个碱基组成。在控制区中,我们鉴定了延伸终止序列（xtended termination associated）和保守“模块”（conserved sequence block, CSB）。我们收集了NCBI上已发表的线粒体基因组序列和红白鼯鼠的线粒体基因组序列共33个物种序列,用这些序列重链上12个蛋白编码基因的序列信息,构建系统进化树。使用贝叶斯（Bayesian）和最大简约法（Maximumparsimony, MP）方法得到了相似的进化树,其结果与先前的研究结果一致。一个线粒体假基因由我们设计的引物对FS-PS扩增得到,全长880bp它与红白鼯鼠的线粒体细胞色素b基因相匹配,且占红白鼯鼠线粒体全基因组长度的5.33%,与红白鼯鼠的线粒体细胞色素b基因有89%的相同。通过BLAST搜索发现,该片段与松鼠科中各物种的线粒体细胞色素b、基因的氨基酸序列相匹配,且匹配程度在92-95%之间,核苷酸序列的相似性为89-92%之间。该假基因与线粒体同源序列分歧时间推断表明,该假基因的线粒体片段在6.97～7.67百万年以前迁入核基因组中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1 动物线粒体基因组的概述
• 1.1 动物线粒体基因组的结构及特点
• 1.2 动物线粒体基因组与核基因组的关系
• 2. 线粒体假基因的研究进展
• 2.1 线粒体假基因的特点
• 2.2 假基因的形成机制
• 2.3 假基因的应用
• 第二章 大蹄蝠和大菊头蝠线粒体基因组全序列的分析
• 1 前言
• 1.1 蝙蝠系统进化分析及分类
• 1.2 蝙蝠携带病毒
• 1.3 蝙蝠飞行的起源
• 1.4 蝙蝠在生态环境中的作用
• 1.5 大蹄蝠及大菊头蝠的研究概述
• 2 材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验方法
• 3 结果与分析
• 3.1 大蹄蝠和大菊头蝠线粒体基因组的结构
• 3.2 蛋白质编码基因的序列特征
• 3.3 核糖体RNA和转运RNA基因的序列特征
• 3.4 非编码区的序列特征
• 3.5 系统发生分析
• 4 讨论
• 4.1 关于翼手目的系统进化分析
• 4.2 关于线粒体基因组的扩增技术
• 第三章 红白鼯鼠线粒体基因组及其假基因的研究
• 1 前言
• 2 材料和方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验方法
• 3 结果与分析
• 3.1 红白鼯鼠线粒体基因组的结构
• 3.2 蛋白质编码基因的序列特征
• 3.3 核糖体RNA和转运RNA基因的序列特征
• 3.4 非编码区的序列特征
• 3.5 系统发生分析
• 3.6 FS-PS假基因序列特征及其进化历史研究
• 4 讨论
• 4.1 红白鼯鼠系统进化分析
• 4.2 假基因的种类及作用
• 结论与创新点
• 1 结论
• 2 创新点
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 攻读硕士学位期间在NCBI注册的基因序列号