拟南芥和琴叶拟南芥中内含子丢失和突变率关系

论文摘要

尽管内含子丢失是真核生物进化历程中广泛发生的事件，但是作用于内含子丢失的选择压力至今没有得到充分的研究。拟南芥和近缘物种琴叶拟南芥在大约1千万年前分化。之后，拟南芥丢失了大约一半的基因组，同时拟南芥内含子丢失速率显著提高。导致基因组缩小的选择力量被认为同样作用于内含子丢失。但是，基因组缩小的选择压力本身仍然有很大争议。与前人的工作相比，本研究增加了外类群数量，并使用基因序列比对来代替蛋白质序列比对，从而得到了更多的内含子丢失数据。通过使用转录组数据对内含子丢失和内含子获得进行验证，过滤掉没有转录组数据支持的事件，并且过滤掉不满足共线性的候选直系同源基因。这些标准保证了内含子丢失和内含子获得的可靠性。通过对观察到的内含子丢失特征进行分析，并没有找到充分的证据支持逆转录酶介导的内含子丢失。通过非同源末端连接修复双链断裂导致内含子丢失可能是拟南芥和琴叶拟南芥中内含子丢失的主要途径。这两种内含子丢失模型都不可能从突变水平解释拟南芥的内含子丢失频率高于琴叶拟南芥，因此有必要在选择水平探索原因。使用内含子丢失数据进行分析，发现丢失内含子的基因具有更高的同义位点替换率（P=0.002）。通过分析近缘物种中的同义位点替换率，排除了高突变率是由于其他因素（剪切信号限制消失或缺失导致突变率升高）导致的。通过研究发现内含子之间突变率的差异在拟南芥属和近缘物种间是保守的，因此可以使用近缘物种中的直系同源内含子的核苷酸替换率代表拟南芥属中丢失内含子和现存内含子的突变率。比较发现，丢失内含子的突变率显著高于现存内含子。我们分析了两种内含子中较为常见的调控元件（CpG岛和内含子介导表达量提高的信号），确认丢失内含子和现存内含子突变率的差异不是由于调控元件的多寡造成的。在全基因组水平上，拟南芥的突变率显著高于琴叶拟南芥，与拟南芥的高内含子丢失速率和快速基因组缩小一致。突变率与内含子数量和内含子密度都呈现显著的负相关关系。这些结果表明减少突变风险可能是内含子丢失的选择压力，并且可能也是拟南芥进化过程中基因组缩小的选择压力。小基因组和低内含子密度，被广泛认为和一些表型特征相关，如高新陈代谢速率和快速生长。我们推测，快速增长可能间接的提高突变率，因此突变风险假说可能可以解释基因组大小和各种表型特征的相关性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 1.1 引言
• 1.2 内含子数量进化
• 1.3 内含子的功能
• 1.4 内含子存在的代价
• 1.5 内含子丢失模型
• 1.6 内含子获得模型
• 2 拟南芥和琴叶拟南芥中内含子丢失与突变率的关系
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 材料
• 2.2.1.1 基因组注释信息
• 2.2.1.2 拟南芥基因表达量数据
• 2.2.1.3 各物种的转录组数据
• 2.2.1.4 拟南芥单倍体组织中的基因表达数据
• 2.2.2 方法
• 2.2.2.1 过滤注释错误
• 2.2.2.2 确定拟南芥和琴叶拟南芥的直系同源基因
• 2.2.2.3 比对直系同源基因序列
• 2.2.2.4 分析拟南芥和琴叶拟南芥的内含子丢失、获得
• 2.2.2.5 计算拟南芥中基因的表达量和调控速度
• 2.2.2.6 分析保守内含子
• 2.2.2.7 计算编码序列的同义替换率（dS）
• 2.2.2.8 计算保守内含子的核苷酸替换率（di）
• 2.2.2.9 计算内含子中的调控元件
• 2.2.2.10 基因家族
• 2.2.2.11 内含子位点两侧的短重复序列
• 2.2.2.12 连续内含子丢失
• 2.2.2.13 丢失内含子的位置偏向性
• 2.2.2.14 丢失内含子下游区域的胸腺嘧啶是否富集
• 2.2.2.15 tRNA 作引物介导的内含子丢失
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 直系同源基因
• 2.3.2 内含子丢失、获得
• 2.3.3 丢失内含子基因编码序列的同义位点替换率高
• 2.3.4 丢失内含子的核苷酸替换率高
• 2.3.5 突变率更高的物种丢失更多的内含子
• 2.3.6 突变率和内含子数量负相关
• 2.3.7 有效种群大小
• 2.3.8 评估其他可能的选择压力是否影响内含子丢失
• 2.3.9 突变偏好不能用来解释观察到的内含子丢失特征
• 2.3.10 基因组大小和表型的关系
• 2.3.11 关于突变风险的一些其他研究
• 2.3.11.1 在单倍体中表达的基因是否更容易丢失内含子
• 2.3.11.2 必需基因是否更容易丢失内含子
• 2.3.11.3 基因家族中的基因丢失内含子比例是否偏低
• 2.3.12 评估内含子丢失模型
• 2.3.12.1 基因组缺失导致内含子丢失模型
• 2.3.12.2 通过非同源末端连接修复双链断裂导致的内含子丢失模型
• 2.3.12.3 逆转录酶介导的内含子丢失模型
• 2.3.12.4 逆转录酶以 mRNA 自身作为引物介导的内含子丢失模型
• 2.3.12.5 逆转录酶以 tRNA 作为引物介导的内含子丢失模型
• 2.4 结论
• 2.5 展望
• 参考文献
• 附录
• 附录1. 拟南芥和琴叶拟南芥的内含子差异位点分析
• 附录2. 拟南芥和琴叶拟南芥的内含子丢失数据
• 附录3. 琴叶拟南芥的内含子获得数据
• 致谢
• 攻读博士期间公开发表的学术论文