鯨類消化酶基因的進化及其與食性轉變的關係

《鯨類消化酶基因的進化及其與食性轉變的關係》是依託南京師範大學，由任文華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鯨類消化酶基因的進化及其與食性轉變的關係
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：任文華
• 依託單位：南京師範大學

項目摘要

動物從環境中獲取食物來滿足生命活動所需要的能量和營養需求，以實現個體生存、繁衍及種群延續。因此，食性變化是動物對環境變化作出博弈選擇的結果，是動物對環境適應的重要內容。鯨類從陸地重返海洋的過程中，由於生存環境及食物獲得性的巨大變化，導致其食性從祖先的草食性變為現生鯨類的肉食性。但迄今為止，人們對鯨類食性轉變的分子機制並不了解。本項目通過對鯨類及其它哺乳動物消化酶類（如胃蛋白酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶、胰肽酶、腸肽酶、胰脂肪酶和α-澱粉酶等）基因的克隆與生物信息學分析比較，了解不同酶基因在鯨類及其不同類群的起源、分化和適應性輻射過程中的進化模式和驅動機制。一方面，探索鯨類食性轉變的分子機制及其與水生適應的關係，另一方面，為揭示哺乳動物消化酶基因的進化規律這一重要科學問題，提供來自某些重要或關鍵進化環節的資料和證據。

結題摘要

鯨類起源於陸生偶蹄動物，為適應次生水生生活，經歷了由草食性到肉食性的轉變，而這一轉變的分子機制尚不清楚。本項目選取29個與消化相關的基因，包括蛋白酶、腸激酶、胃質子泵、脂肪酶、膽汁合成限速酶、澱粉酶和胃腸激素，分別與其它哺乳動物同源序列進行生物信息學分析，從而揭示鯨類食性轉變的分子遺傳學基礎。 結果表明：①胰腺蛋白酶家族在鯨類中均保留一個基因為功能基因，而家族中的其它基因在鯨類中均假基因化。PRSS1、CTRC、CELA3B基因在鯨類中檢測到強烈的正選擇信號，這提示伴隨著食性轉變，胰腺蛋白酶家族基因可能為了確保關鍵基因能夠有效的表達，均保留了一個功能基因並且該基因進化出了更強的消化膳食蛋白的能力，相反家族中的其它基因為了節約能量與資源而發生了假基因化。腸激酶可激活胰蛋白酶，TMPRSS15在鯨類中也檢測到了正選擇，表明該基因在鯨類食性轉變過程中也發揮重要的作用。 ②胃部與消化蛋白相關的PGA基因在鯨類中同樣檢測到強烈的正選擇，這提示雖然鯨類仍保留著類似食草祖先多孔室胃結構，但是胃部PGA基因可能在應答鯨類食性轉變過程中產生了適應性進化。 ③脂肪酶基因LIPF、PNLIP、PLRP2和膽汁合成限速酶基因CYP7A1也在鯨類中檢測到正選擇，這提示可能與鯨類應對高脂肪的食物相關。 ④通過重構功能基因祖先序列，在17個與消化相關基因中發現肉食動物（食肉目和鯨類）之間特異的趨同和平行位點，提示它們為鯨類食性轉變提供分子基礎。 ⑤此外，與偶蹄目含有多拷貝RNase1不同的是，現生鯨類僅有1個RNase1拷貝，通過實驗驗證鯨類RNase1的最適pH值範圍更偏鹼性。鯨類RNase1家族基因多拷貝的丟失與鯨類從食草到食肉性質的轉變相一致，這提示鯨類可能為了適應食性轉變僅保留一個RNase1拷貝，並且保留的RNase1基因為了更高效地消化膳食RNA產生了適應性進化。 本研究首次揭示了鯨類在起源和分化過程中食性轉變的遺傳機制，並為研究哺乳動物消化酶基因的進化規律提供了重要的進化環節的資料和證據。