眼鏡蛇與版納魚螈Hox基因簇的解析與進化基因組學分析

《眼鏡蛇與版納魚螈Hox基因簇的解析與進化基因組學分析》是依託中山大學，由張鵬擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：眼鏡蛇與版納魚螈Hox基因簇的解析與進化基因組學分析
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張鵬
• 依託單位：中山大學

中文摘要

蛇形身體是動物在漫長的進化歷史中，為適應掘地的穴居生活，身體構造發生特化時經常出現的現象，其解剖學的一個重要特點為帶有肋骨的胸腔部分擴展至身體前肢與後肢間的全部區域。在陸生脊椎動物中，具有蛇形身體特點的物種全部集中在兩棲動物與爬行動物中，研究控制胸腔形成的關鍵基因與調控元件在這些動物類群中的變化情況具有重要的科學意義。已有研究表明，動物胸腔區域決定於Hox基因簇上多個基因成員在體軸上的表達範圍，而Hox基因成員的表達範圍則由Hox基因簇中各種非編碼調控區所控制。目前國際上還沒有一個完整的蛇形物種Hox基因簇數據。為此，本項目計畫選取眼鏡蛇、版納魚螈作為蛇形動物的代表物種，採用構建基因組文庫與高通量測序相結合的策略，解析這兩個蛇形物種的Hox基因簇全序列，並與胸腔範圍正常的其他的物種的Hox基因簇進行比較基因組學分析，為研究陸生脊椎動物蛇形身體的產生這一重要進化問題提供必要的遺傳學背景。

結題摘要

四肢退化軀幹伸長的蛇形身體在脊椎動物進化歷史中多次出現，研究控制動物身體結構的Hox基因簇中的基因與調控元件在這些動物類群中的變化情況具有重要的科學意義。在本項目的支持下，我們用長距離PCR與基因組步移獲得蛇形物種版納魚螈Hox基因簇片段共~600kb，建立了一套利用已知小段Hox 基因序列獲取大片Hox 基因簇區域的實驗策略。我們發現版納魚螈Hox基因簇中重複序列含量相對於別的物種明顯偏低，但保留了較多古老的非編碼保守元件，且保守元件的分布密度與重複序列相反。這提示版納魚螈Hox基因間隔區受到的選擇壓力不一樣，有些區域插入許多重複序列可能會影響其中的調控序列，進而改變某些Hox基因的表達。相對速率檢驗顯示版納魚螈的Hox基因編碼區在四足動物中處於相對較慢的進化水平。版納魚螈轉錄組的數據分析進一步支持Hox基因簇的分析結果，並顯示版納魚螈基因組整體都具有進化較慢的特點，以上研究成果已於2015年發表在國際知名期刊BMC genomics上。我們還把這些數據用於對四足動物進化的其他研究，分別在MBE和SB雜誌上發表論文一篇。另一方面，兩種蛇的基因組序列已於2013年底公布，與我們解析眼鏡蛇Hox基因簇序列的計畫有衝突。我們因此把研究方向轉到Hox基因簇的分析上面。版納魚螈和蛇Hox基因簇序列的比較可能因為兩者關係太遠沒有找到明顯共性。為此，我們通過實驗補充了其他有鱗類動物的Hox基因數據。統計分析顯示有鱗類動物Hox蛋白含單胺基酸串聯重複的比例比其他類群都高。比較含單胺基酸串聯重複的Hox蛋白的分布，我們發現位於簇中部的Hox蛋白只在有鱗類動物中高比例的出現單胺基酸串聯重複。根據Hox基因表達與功能的共線性，中部的Hox基因大多參與胸腔及軀體發育的調控，其高比例的出現單胺基酸串聯重複有可能與有鱗類動物軀體結構多變有關。我們繼續分析了有鱗類代表物種---安樂蜥的蛋白組，結果顯示大量蛋白序列含有單胺基酸串聯重複，且這些蛋白較大比例是調控因子或與生長發育相關。眾多長度可變的單胺基酸串聯重複的存在很可能是有鱗類動物基因組具有較高可塑性的基礎之一，為理解其豐富的適應性進化現象（如體形等）提供一絲線索。相關結果已撰寫論文投稿國際知名期刊BMC genomics，目前在根據審稿人意見修改中。此外，本項目支持了一些額外的研究工作，總共發表了SCI論文7篇。