酵母倍增基因功能分化机制研究

论文摘要

基因倍增及之后的功能分化是基因组进化最主要的驱动力之一,是导致生物体复杂性、产生具有新功能的基因和进化出新物种的原因之一。研究倍增基因的功能分化是功能基因组学的一个主要目标,对我们了解新基因的起源、生命体的进化至关重要。本项研究就从现存的倍增基因入手,利用全基因组功能组学数据（主要是酵母）、系统进化分析及相关统计处理,从顺式调控因子（TATA box）、反式调控因子（反式调控eQTL）、表观遗传修饰（组蛋白修饰）以及功能补偿效应角度来阐述这些倍增基因是如何一步步实现功能分化以及功能多样化,并最终被固定和保留下来。得到的主要结果如下：1)我们观察到在人类、线虫、拟南芥和酵母基因组里,TATA box（跟环境应答相关的顺式调控元件）要显著富集于倍增基因。为进一步研究基因倍增后TATAbox的进化情况,我们对酵母700多个基因家族重构祖先TATA box的状态,发现大多数基因家族祖先基因的启动子区都是没有TATA box的,并且基因倍增后,倍增基因启动子区TATA box的获得事件要远远多于失去事件---总的获得-失去比率大约是3-4倍。同时,后来获得TATA box的倍增基因要明显富集于与环境应答相关的功能类里（其它含有TATA box的倍增基因一般跟代谢活动相关）,并在环境胁迫条件下经历更为快速的表达分化（不对称进化）。因此,我们认为在酵母中,基因倍增后,倍增基因启动子TATA box的获得事件加速了倍增基因在环境变化条件下的表达分化速度并促进该生物体的环境适应性进化,从而协助倍增基因在基因组中被顺利保留。2)通过对酵母全基因组eQTL数据的分析发现,倍增基因具有更高的表达遗传率,但在上位性与方向效应上,与单拷贝基因没有显著差异；基因倍增后,倍增基因对之间的反式调控eQTL会随着进化时间的行进不断分化；倍增基因反式调控eQTL的分化能解释其大约21%的表达变异,如果再考虑转录因子结合互作分化,解释率可升至27%；倍增基因对之间的反式调控eQTL分化与基因本体论（Gene Ontology）中“生物过程”和“细胞组分”的进化紧密相关,但与“分子功能”无任何关联。因此,我们觉得eQTL分析为研究基因倍增对遗传调控网络进化的影响提供了一种全新的思路和方法。3)通过对酵母全基因组水平的组蛋白修饰数据分析,我们发现倍增基因对比随机单拷贝基因对无论是在启动子区还是编码区都拥有更为相似的组蛋白修饰谱,并且倍增基因组蛋白修饰谱的分化与其编码序列、反式调控因子、顺式调控因子的进化存在很强的相关性。同时,进一步研究发现有可能受到反式调控因子作用的倍增基因拥有更为快速分化的组蛋白修饰谱。我们猜测,基因倍增后,基因的组蛋白修饰谱也发生了复制,之后随着倍增基因的遗传因子如序列、调控因子的进化而发生分化。4)关于倍增基因的功能补偿效应,我们提出两种假说。一种是环境依赖的倍增基因功能补偿效应丢失假说：因为自然环境选择效应的存在,保留下来的倍增基因在进化历史的某一时期或某些环境中对生物体的生存、繁殖是唯一必需、不可替代的。在这些环境中,倍增基因的功能补偿效应就丧失了。另一种假说是基因网络-蛋白质功能假说：倍增基因为不被假基因化,必须经历功能分化（受正向选择的基因除外）。当倍增基因的调控网络最先发生分化时,蛋白质功能一定程度上可以摆脱被分化的命运,从而使得倍增基因保留比较高的功能补偿效应；反之,若倍增基因的蛋白质功能最先发生分化,调控网络的进化相对就比较缓慢,但其功能补偿效应大大减弱。我们用数据一定程度上证实了这两个假说的合理性。为基因的遗传缓冲现象提供了新的思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 基因倍增的发生机制
• 1.1.1 不平等交叉互换（Unequal crossing-over）
• 1.1.2 DNA的复制性转座（Duplicative transposition）
• 1.1.3 反转录转座（Retrotransposition）
• 1.1.4 全基因组倍增（Whole genome duplication）
• 1.2 倍增基因的进化命运
• 1.2.1 剂量---负选择（CNV与疾病）
• 1.2.2 剂量---正选择假说
• 1.2.3 假基因化（Pseudogenization）
• 1.2.4 亚功能化（Subfunctionalization）
• 1.2.5 新功能化（Neofunctionalization）
• 1.3 倍增基因的功能分化
• 1.3.1 表达分化
• 1.3.2 选择性剪切的分化
• 1.3.3 氨基酸位点与功能分化
• 1.3.4 蛋白质相互作用的分化
• 1.4 参考文献
• 第二章 基因倍增后启动子TATA box的进化研究
• 2.1 摘要
• 2.2 引言
• 2.3 材料与方法
• 2.3.1 TATA-containing和TATA-less基因分类
• 2.3.2 倍增基因和单拷贝基因的识别
• 2.3.3 酵母基因家族祖先基因的TATA box状态推断
• 2.3.4 酵母表达数据及倍增基因表达分化的定义
• 2.3.5 酵母TATA-containing倍增基因的功能分析
• 2.4 结果
• 2.4.1 TATA box显著富集于倍增基因启动子中
• 2.4.2 基因家族启动子TATA box的进化
• 2.4.3 基因倍增后TATA box获得事件要频繁于失去事件
• 2.4.4 TATA-containing倍增基因的功能偏好
• 2.4.5 TATA box获得事件的进化时间
• 2.4.6 基因倍增后启动子TATA box的获得加速了环境诱导的基因表达的不对称进化
• 2.5 讨论
• 2.5.1 倍增基因与环境胁迫应答
• 2.5.2 TATA box和全基因组倍增
• 2.5.3 祖先状态推断中的技术问题
• 2.6 参考文献
• 第三章 倍增基因遗传调控网络进化研究
• 3.1 摘要
• 3.2 引言
• 3.3 材料与方法
• 3.3.1 酵母基因组eQTL数据
• 3.3.2 酵母功能基因组学数据
• 3.3.3 酵母倍增基因的识别
• 3.3.4 倍增基因间的功能距离定义
• 3.4 结果
• 3.4.1 倍增基因比单拷贝基因具有更高的表达遗传率,在上位性与方向效应上无显著差别
• 3.4.2 倍增基因的反式调控eQTL随进化时间不断分化
• 3.4.3 倍增基因间的反式调控eQTL分化促使其快速的表达进化
• 3.4.4 反式调控eQTL分化与其它功能分化参数的关系
• 3.5 讨论
• 3.5.1 eQTL分析中的一些说明
• 3.5.2 倍增基因对的eQTL和转录模块分化
• 3.5.3 倍增基因对的选择
• 3.6 参考文献
• 第四章 倍增基因表观遗传调控进化研究
• 4.1 摘要
• 4.2 引言
• 4.3 材料与方法
• 4.3.1 人类与酵母的组蛋白修饰谱数据
• 4.3.2 酵母染色质修饰因子与转录因子突变体的基因表达谱数据
• 4.3.3 酵母反式和顺式调控元件数据
• 4.3.4 蛋白质亚细胞定位和生物过程
• 4.3.5 倍增基因的组蛋白修饰谱距离定义
• 4.4 结果
• 4.4.1 倍增基因具有更为相似的组蛋白修饰谱
• 4.4.2 基因倍增后组蛋白修饰谱分化与编码序列进化
• 4.4.3 组蛋白修饰以及相关蛋白酶对倍增基因表达分化的贡献
• 4.4.4 其它调控因子与组蛋白修饰的关系
• 4.4.5 基因的生物功能影响组蛋白修饰谱的进化
• 4.5 讨论
• 4.5.1 EC模型与倍增基因保留
• 4.5.2 人类倍增基因的组蛋白修饰谱进化
• 4.6 参考文献
• 第五章 倍增基因功能补偿效应相关研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 酵母基因敲除表型数据
• 5.3 结果
• 5.3.1 自然环境依赖的倍增基因功能补偿效应丢失假说
• 5.3.2 基因网络-蛋白质功能假说
• 5.4 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文