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螺旋藻基因组结构分析和藻胆蛋白的适应性进化

2020-11-22阅读(799)

螺旋藻基因组结构分析和藻胆蛋白的适应性进化

论文摘要

螺旋藻（spirulina,或称节旋藻Arthrospira）是一类丝状不形成异型胞的蓝藻,常分布于湖泊、池塘和半咸水中。作为目前利用最广泛的经济微藻,螺旋藻的规模培养、生理生化以及分子遗传等都受到了广泛的关注。但由于缺乏足够的基因组信息,影响了螺旋藻的品种改良以及进一步的基因功能产品的开发。 本研究从挑取单藻丝开始,建立了钝顶螺旋藻（spirulina platensis）的纯培养体系,并构建插入片段分别为1-2Kb和4-6Kb的基因组文库,利用鸟枪法进行全基因组测序,共得到具有8倍覆盖度的7.4Mb拼接后的基因组数据。在该草图中,预测有7795个开放读码框（ORFs）,其中包括长度小于120个氨基酸的ORFs和非全长ORFs。在所有蛋白编码序列中,约有39%的基因是螺旋藻特有的,此外,还有389个基因相对于其他蓝藻,与非蓝藻基因有着更高的相似性。通过Pfam结构域聚类分析发现,螺旋藻含有特有的结构域,如PeptidaseMA、DMT、OB、ATP-grasp、Flavokinase等。 由于目前尚未有成熟的螺旋藻遗传转化系统,而其体内复杂的限制性内切酶系可能是妨碍外源基因顺利导入和整合的关键因素。在此草图的基础上,我们利用比较基因组学和分子进化的手段,深入分析了螺旋藻及其他蓝藻的限制修饰系统（Restrietion-modifieation system）,为建立螺旋藻的遗传转化技术,并实现后续的螺旋藻基因功能验证模式奠定了基础。 螺旋藻及其他蓝藻的基因组计划提供了大量基因组序列和结构信息,有助于我们深入了解光合微生物基因的结构、功能和进化,以及环境因子或特定突变是如何塑造其基因组的。本文以藻胆蛋白为例,利用分子进化和群体遗传学理论,描绘出一幅藻胆蛋白进化的动态图景,并分析了环境-结构-功能之间的相互联系,为藻类捕光色素进化机制理论提供了科学依据。 本研究结果发现低光适应型原绿球藻和海洋聚球藻的藻红蛋白中正选择位点分布有着显著差异,提示二者的藻红蛋白基因有不同的进化模式;正选择作用位点多集中在藻胆蛋白的色基结合区域及XY发卡结构处,这些结构域主要与藻胆蛋白的光能捕获、能量传递和结构组装有关。该研究结果不仅揭示了正选择作用的重要性,而且提示光质、光强和能量传递压等可能是潜在的正选择压力。此

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 目录
  • 第一章 蓝藻基因组学和分子系统学的研究
  • 1.1 蓝藻结构基因组学研究
  • 1.1.1 主要研究方法
  • 1.1.2 研究进展
  • 1.1.2.1 概况
  • 1.1.2.2 原绿球藻
  • 1.1.2.3 海洋聚球藻
  • 1.1.2.4 比较基因组学
  • 1.1.2.4.1 基因组一般特征的比较
  • 1.1.2.4.2 捕光系统的比较
  • 1.1.2.4.3 二元信号转导系统的比较
  • 1.1.2.4.4 氮源利用相关基因的比较
  • 1.2 蓝藻基因功能的研究
  • 1.2.1 功能基因组学研究
  • 1.2.1.1 基因微阵列技术
  • 1.2.1.2 蛋白质组学技术
  • 1.2.1.3 代谢组学技术
  • 1.2.2 功能基因的分离和克隆
  • 1.2.2.1 研究方法
  • 1.2.2.2 重要功能基因
  • 1.2.2.3 功能基因表达调控的研究
  • 1.3 蓝藻的基因操作
  • 1.3.1 淡水蓝藻中基因操作的技术
  • 1.3.1.1 载体系统
  • 1.3.1.2 基因转移系统
  • 1.3.2 海洋蓝藻基因操作
  • 1.4 蓝藻分子系统学研究
  • 1.4.1 蓝藻分子系统学研究方法及应用
  • 1.4.1.1 应用核酸和蛋白质进行分子系统学研究
  • 1.4.1.1.1 同工酶电泳分析
  • 1.4.1.1.2 藻胆蛋白组成
  • 1.4.1.1.3 免疫学的研究
  • 1.4.1.1.4 DNA碱基组成
  • 1.4.1.1.5 DNA指纹图谱
  • 1.4.1.1.6 DNA-DNA杂交
  • 1.4.1.1.7 限制性内切酶片断长度多态性
  • 1.4.1.1.8 随机扩增多态性 DNA
  • 1.4.1.1.9 165rRNA基因分析
  • 1.4.1.2 其他分子方法
  • 1.4.2 问题与展望
  • 1.5 本论文研究内容及意义
  • 参考文献
  • 第二章 螺旋藻基因组结构研究
  • 2.1 材料和方法
  • 2.1.1 基因组随机文库的构建
  • 2.1.2 鸟枪法测序
  • 2.1.3 序列数据的采集和拼接
  • 2.1.4 基因组序列的功能注释
  • 2.1.5 COG归类及 KEGG Pathway注释
  • 2.2 结果和讨论
  • 2.2.1 螺旋藻基因组测序初步结果
  • 2.2.2 螺旋藻基因组的一般特征
  • 2.2.3 螺旋藻及其他蓝藻基因结构域的分析
  • 2.2.4 螺旋藻中卟啉及其衍生物的生物合成途径
  • 2.2.5 螺旋藻纤毛结构相关基因的分析
  • 参考文献
  • 第三章 单细胞和丝状蓝藻限制修饰系统的比较基因组研究
  • 3.1 材料和方法
  • 3.1.1 新RM基因的发现
  • 3.1.2 螺旋藻RM基因的RT-PCR分析
  • 3.1.3 多序列比对和系统发育分析
  • 3.1.4 分子进化分析
  • 3.2 结果
  • 3.2.1 螺旋藻的RM基因家族
  • 3.2.2 螺旋藻RM基因的RT-PCR分析
  • 3.2.3 RM系统的基因组分布及序列分析
  • 3.2.4 系统发育分析
  • 3.2.5 RM基因的分子进化分析
  • 3.3 讨论
  • 参考文献
  • 第四章 基因组时代的分子进化
  • 4.1 从宏观进化到分子进化
  • 4.1.1 在争议中发展的分子进化理论
  • 4.1.2 选择论和中性论争执的核心
  • 4.2 蛋白质水平的中性进化
  • 4.4 DNA水平的中性进化
  • 4.5 同义替换和非统一替换的计算方法
  • 4.5.1 Nei-Gojobori法（NG）
  • 4.5.2 基于Kimura双参数模型的方法
  • 4.5.3 采用密码子替代模型的最大似然法
  • 4.6 中性进化理论的统计检验
  • 参考文献
  • 第五章 藻红蛋白的分子进化
  • 5.1 实验材料和方法
  • 5.1.1 DNA提取和 PE基因扩增
  • 5.1.2 藻红蛋白基因序列
  • 5.1.3 序列分析和分子进化分析
  • 5.2 实验结果
  • 5.2.1 藻胆蛋白基因的克隆和表达
  • 5.2.2 藻红蛋白的GC含量
  • 5.2.3 藻红蛋白基因的多序列比对
  • 5.2.4 系统发育分析分析
  • 5.2.5 PE基因的进化速率分析
  • 5.2.6 正选择促使藻红蛋白基因的进化
  • 5.3 讨论
  • 参考文献
  • 第六章 正选择作用促使了藻胆蛋白的分化
  • 6.1 材料和方法
  • 6.1.1 藻胆蛋白数据集
  • 6.1.2 蛋白和核酸序列的比对
  • 6.1.3 系统发育树的构建
  • 6.1.4 正选择的检验
  • 6.1.5 正选择位点的共变分析
  • 6.2 结果
  • 6.2.1 藻胆蛋白的系统发育分析
  • 6.2.2 藻胆蛋白的适应性进化
  • 6.2.3 连接多肽氮基酸位点间的不同选择压力
  • 6.2.4 正选择位点在藻胆蛋白三级结构上的定位
  • 6.3 讨论
  • 参考文献
  • 第七章 藻红蛋白的比较群体遗传学研究
  • 7.1 材料和方法
  • 7.1.1 基因序列
  • 7.1.2 蛋白和核酸序列的比对
  • 7.1.3 系统发育树的构建
  • 7.1.4 藻红蛋白基因的种内多态性和群体结构的检验
  • 7.1.5 基于同义和非同义替换的检验
  • 7.2 实验结果
  • 7.2.1 PPeB的核苷酸多态性
  • 7.2.2 PPeB的群体遗传结构的分化
  • 7.2.3 种内多态性和种间选择的检验
  • 7.2.4 藻红蛋白基因簇的进化
  • 7.3 讨论
  • 补充说明
  • 参考文献
  • 本论文主要结论
  • 致谢
  • 在研期间发表论文
  • 彩图附录

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