拟南芥DNaseI超敏感位点及野生大麦适应性进化研究

论文摘要

真核生物的基因表达与调控是一系列顺式作用元件（cis-regulator modules）与反式作用因子（trans-acting factor）相互作用的结果。顺式作用元件本身不编码蛋白，只是基因组中一些特定的区域，它们需与反式作用因子结合才能发挥其生理作用。目前已知，顺式作用元件往往与染色质的结构密切相关，能与反式作用因子结合发挥生物学功能的顺式作用元件，通常存在于DNase I超敏感位点（DNaseI hypersensitive site， DHs）的内部或周围。随着越来越多的植物基因组测序的进展，大规模高通量鉴定植物基因组的顺式作用元件的方法受到了广泛关注，尤其是通过鉴定脱氧核糖核酸酶I超敏感位点的方法可以有效确定顺式作用元件的富集区域，并可以对功能基因组学研究提供海量数据支持。本文通过构建拟南芥DNase I和mRNA高通量测序文库，并使用高通量测序技术鉴定和分析了拟南芥基因组脱氧核糖核酸酶I超敏感位点。经过DHs与基因表达等数据进行关联分析后发现DHs位于核小体缺乏区域；DHs与基因的表达量密切相关；基因组去甲基化能导致染色质结构发生变化后生成新的DHs。与此同时，本文亦结合已知转录因子大规模的ChIP数据，确认了DHs为转录因子的结合位点，并利用现有的顺式作用元件基序对拟南芥花与叶片进行了全基因组顺式作用元件DNase足迹的鉴定。本文首次在植物领域内使用DNase I降解文库测序技术进行全基因组顺式作用元件DNase足迹的鉴定，为植物基因表达调控网络研究提供了新方法、新思路。高等植物中广泛存在脱水素多基因家族（Dehydrins，Dhn），其主要功能是在植物细胞缺水或受到温度变化时保护植物细胞。该家族基因编码的蛋白与植物的抗逆生理过程，如干旱、盐碱、低温等。同时，植物热激蛋白（Heat Shock Protein，HSP）在植物对适应外界胁迫中起了非常重要的作用。本文利用以色列微进化峡谷野生大麦为材料对Dhn1基因启动子、Dhn6基因以及Hsp17基因进行了分子多态性与环境适应性进化研究。发现Dhn1基因启动子、Dhn6基因表现为适应性进化，其突变与环境变化密切相关；而Hsp17基因家族中的两个成员Hsp17a与Hsp17b进化速率不同，并且Hsp17a相对与Hsp17b而言，Hsp17a更容易受到环境的影响而发生突变。根据对Dhn1基因启动子、Dhn6基因以及Hsp17基因的分子多态性与环境适应性进化研究结果，发现环境因素或胁迫是物种进化的一个主要动力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 顺式调控元件分类
• 1.2.1 启动子
• 1.2.2 增强子和沉默子
• 1.2.3 绝缘子
• 1.3 顺式调控元件的鉴定方法
• 1.3.1 基于实验的方法主要可以分为以下几类
• 1.3.2 生物信息学方法鉴定顺式作用元件
• 1.4 植物中顺式作用元件数据库
• 1.5 DNase I 超敏感位点
• 1.6 适应性进化研究及生态模型
• 1.6.1 适应性进化
• 1.6.2 以色列微进化峡谷模型
• 1.7 本论文的主要内容
• 1.8 论文结构安排
• 第二章 拟南芥 DNase I 超敏感位点的鉴定
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料及方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验试剂
• 2.2.3 DNase I 超敏感位点测序文库构建
• 2.2.4 mRNA 提取
• 2.2.5 送样测序
• 2.2.6 基因组、注释信息及关联性分析数据
• 2.3 数据分析平台构建
• 2.3.1 硬件平台
• 2.3.2 数据分析平台
• 2.4 实验结果
• 2.4.1 数据分析基本流程
• 2.4.2 DHs 读段定位结果
• 2.4.3 DNase I 敏感程度与甲基化的关系
• 2.4.4 DHs 的鉴定及分布
• 2.4.5 DHs 与核小体的关系
• 2.4.6 DHs 与基因表达的关系
• 2.5 结果讨论
• 2.5.1 DHS 的高效准确鉴定
• 2.5.2 去甲基化导致异染色质区中转座子表达及新 DHs 的产生
• 2.5.3 基因表达与 DHs 的关系
• 2.5.4 组织特异性 DHs 相关基因分析
• 2.5.5 真核基因组中 DHs 的分布
• 2.6 小结
• 第三章 拟南芥 DNase I 超敏感位点与顺式作用元件的关系
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料及方法
• 3.2.1 实验数据
• 3.2.2 数据分析硬件平台
• 3.2.3 数据分析平台
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 Pol II 与 DHs 的关系
• 3.3.2 AP1 及 SEP3 结合位点与 DHs 的关系
• 3.3.3 SEP3 结合位点的大规模足迹法分析
• 3.3.4 植物已知顺式作用元件的大规模足迹法分析
• 3.4 本章小结
• 3.4.1 大规模 DNase I 足迹法在基因组研究中的应用
• 3.4.2 组织差异的大规模 DNase I 足迹法分析
• 3.4.3 研究趋势
• 第四章 野生大麦 Dhn1、Dhn6 和 Hsp17 基因适应性进化研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料及方法
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验方法
• 4.3 结果分析与讨论
• 4.3.1 Dhn1 基因启动子适应性进化的研究
• 4.3.2 Dhn6 基因的适应性进化研究
• 4.3.3 Hsp17 基因适应性进化的研究
• 4.3.4 结果讨论
• 4.4 本章小结
• 4.4.1 研究小结
• 4.4.2 研究展望
• 第五章 结论
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 附件 程序及参数说明
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间研究成果