酵母全基因組重複後基因網路結構微進化的研究

《酵母全基因組重複後基因網路結構微進化的研究》是依託復旦大學，由何雲剛擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：酵母全基因組重複後基因網路結構微進化的研究
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：何雲剛

項目摘要

全基因組重複是驅動基因組從簡單向複雜進化的重要機制。冗餘的基因拷貝為新功能基因的誕生提供素材，為生物表型多樣性提供遺傳物質基礎。因為全基因組重複帶來遺傳巨變，多倍化新個體經歷基因組序列、結構、轉錄水平上的快速變異。這些快速變異相互作用，體現為生物網路的微進化，是多倍化個體變異的源頭和快速適應環境的基礎。本項目通過原生質體融合獲得酵母的同源和異源多倍化克隆，結合人工誘變和不同培養條件下的長期連續傳代，促使多倍化克隆對各種不同生長條件產生快速適應。我們調查多倍化克隆在持續傳代過程中的基因序列和表達變化，了解這些快速變化影響表型進化的機理。通過從生物網路結構的角度考察這些快速變化的遺傳學後果，力圖揭示影響網路結構進化的因素，豐富生物網路微進化的有關理論，發現生物網路微進化影響表型快速進化的原理與法則。本研究不僅有助於進化理論的進一步發展與完善，並且對工業發酵中酵母遺傳育種具有現實指導意義。

結題摘要

全基因組重複是驅動基因組從簡單向複雜進化的重要機制。冗餘的基因拷貝為新功能基因的誕生提供素材，為生物表型多樣性提供遺傳物質基礎。因為全基因組重複帶來遺傳巨變，多倍化新個體經歷基因組序列、結構、轉錄水平上的快速變異。本項目通過遺傳工程手段獲得克魯維酵母的多倍化克隆（1N，2N，3N，和4N），我們觀察到多倍體細胞在細胞形態、出芽方式、生長狀態等等各方面與單倍體細胞存在很大差異。通過進一步觀察不同倍性的克隆在各種人工環境脅迫條件下的表現，我們發現了人工多倍體菌株在選擇壓力下出現基因組不穩定的現象。經過RNA測序進行表達差異分析，我們發現染色體倍性的改變帶來了有機酸代謝通路基因及細胞周期調控相關基因的系統性表達改變。研究還發現，持續的乙醇壓力可以有效提高克魯維酵母的乙醇耐受能力，但基因組深度測序顯示這種能力提高並非來源於基因組序列的變化，而是由於基因表達的大規模重編程。基因表達分析顯示這種全局性的變化涉及細胞膜完整性，滲透壓調節，過氧化物清除，和乙醇分解代謝等眾多生物學通路。為深入理解酵母基因的系統性的表達調控，我們用狀態空間方法分析構建了可以用於表征超出90%數據方差的線性系統模型。研究中確定了模型中狀態變數的個數及構建了觀測方程表述狀態變數與基因表達的關係。該線性系統模型可以用於對多倍化導致的基因表達變化的進一步分析探索。項目在兩年的執行期內進展順利，已發表生物工程領域一區期刊一篇，在投一篇，另有多篇論文撰寫中。承擔課題工作的一名博士後順利出站，參與課題工作的4名博士研究生和2名碩士研究生順利畢業。