基因的进化

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研究内容
研究系统进化学常采用的两个关键步骤：
• 一方面在不同物种中鉴定同源性特征 • 另一方面利用构建系统进化树的方法比较这些特
征，进而重新构建这些物种的进化历史
研究内容
基因进化的研究主要集中在两个方面
以前的研究表明：
（1）无尾类很可能只有单一的MHC Ia基因座（ Xen opuslaevis 、Siluranatropicalis和Ranatemporaria ）
（2）重组和平衡选择均在无尾类MHC I类基因的进 化中起到重要的作用。并且，在无尾类中，重组主 要发生在外显子之间（X. laevis）。
因此，从生活环境相对复杂的无尾类类群树蛙科 中选取两个物种（Rhacophorus omeimontis & Polyp edates megacephalus ），开展以下工作：（1）克 隆MHC I类基因，了解其多样性；（2）探索MHC I类 基因多样性形成和维持的分子机制。本研究对于更系 统全面的了解无尾类MHC I类基因的进化 有一定的帮 助。
11
12
15
等位基因数目
7
6
14
每个样本检测到的最大基因数目 3
3
6
最少基因座数目
2
2
3
至少在两个个体中都出现的序列才被鉴定为等位基因，一 方面消除了PCR复制错误产生的系统误差，另一方面会低 估实际的等位基因数目。
一些个体特有的等位基因被排除在外；
一些在群体中低频出现的等位基因，可能样本数的限 制，没有同时在两个样本中被检测到，也就被排除在外。
MHC的特征
➢多样性（核苷酸多样性、基因多样性、基因座数目的变
化 ）很高
与适应性相关
• 平衡选择
dn>ds，尤其在ABS上
• 重组 exonshuffling（硬骨鱼） 极小片段的交换（哺乳类）
与基因的组织结构相关
• gene duplication 主要用来解释基因座数目的变化。
“the birth and death model of evolution”
• 比较不同基因数据的基础上，从基因组水平理解和诠释生物 进化
• 通过对新基因的分析研究探索基因过程的规律
构建系统进化树
全基因组进化分析
基因组进化策略
生物功能变化与进
化机制
基因注释
ຫໍສະໝຸດ Baidu
新基因
基因产生机制
新基因固定及其动
力学研究
研究方法
利用基因组数据分析和研究新基因的产生和演化 • 利用基因组数据进行系统进化分析
材料及方法
• 材料
11 P. megacephalus （湖南八大工山）
27 R. omeimontis （湖南八大工山12 只；四川宝兴 15 只）
提取总RNA
已设计好的引物
•方法
（1）设计引物 （2）实验
RT PCR扩增目的片段 切胶回收
连接 转化 克隆 阳性检测
测序
数据分析
（3）数据分析
➢ 序列编辑和比对（DNAStar, MEGA） 至少在两个个体中出现的序列才被鉴定为等位
✓ 把所有已发表的无尾类的MHCI类基因的序列收集起来， 同我们的序列一起构建系统发育树，结果表明，我们的序列
同其它所有无尾类的MHC Ia 基因聚在一起。
2.基因座数目
P. megacephalus R. omeimontis R. omeimontis
（八大公山） （八大公山） （宝兴）
样本数目
example
Evolution by selection, recombination and gene duplication in the MHC class I genes
of two species from Rhacophoridae
MHC：Major Histocompatibility Complex，即主要组织相 容性复合体，是脊椎动物中3 E直ffe接ct介导免疫反应的一类细 胞表面蛋白。MHC基因即是编码这些蛋白的基因家族。
• 新基因的产生和演化
新基因指在基因组中新形成的基因，新基因产生的机制 主要：基因复制、外显子重组、逆转座、可移动元件、基因 水平转移和基因分裂与融合等。对于新基因在群体中的固定 ，目前研究的一些模型在一定程度上描述了中性选择、正选 择在进化过程中的作用。Walsh和Ohta认为中性选择与正选 择两者都会在新基因形成过程中起作用，特别在一个大群体 中，选择将大大增加形成新基因的概率。但对于新基因产生 中的实际群体动力学仍不得而知
分析基因的进化中对基因组数据的分析主要利用了比 较基因组学的方法。 3 Effect
比较基因组学在基因组图谱和测序的基础上，利 用某个基因组研究获得的信息推测其他原核生物、真 核生物类群中的基因数目、未知、功能、表达机制和 物种进化的学科在基因组见进行比较可以了解到不同 基因组在核苷酸组成、同线性关系和基因顺序方面的 异同，进而可以得到基因分析预测与定位、生物系统 发生进化关系等方面的信息。当在两种以上的基因组 间进行序列比较时，实质上就得到了序列在系统发生 树中的进化关系。基因组信息的增多使得在基因组水 平上研究分子进化、基因功能成为可能。
1、MHC I类基因
确定这些基因为MHC Ia 基因
✓ 这些等位基因通过RNA获得，所以那些不能表达的假基因 被排除在外。
✓ 没有在这些序列中发现提前的终止密码子或是异常的插 入缺失，即这些序列都能正常的翻译成氨基酸序列。
✓ 与MHCI的功能密切相关的关键位点（形成双硫键的位点） 在所有的这些序列中都是保守的，表明这些等位基因都可以 形成正常的结构，进而正常的行使功能。
两栖类：
➢ 登陆，面临生活环境的改变，在免疫的进化上很关键
➢ 无尾类，异源多倍体化的物种形成方式，其MHC的进 化机制可能相对更加复杂。
研究两栖类，尤其是无尾类 MHC I类基因的进化 模式以及进化机制是必需而且必要的。相关研究将会 帮助我们更好的了解脊椎动物免疫相关分子的进化。 但是，两栖类的相关研究很少，有限的研究也只 集中在少数物种。对于无尾类，主要的研究对象是较 古老的、完全水生的爪蟾类。
3 Rhom17
141 Rhom12/Unknown(Rhom05)
4 Pome04
因此，峨眉树蛙两个地理种群出现不一样的结果，有可能 是真实的情况（这种现象在其它的脊椎动物类群中出现 过），也有可能是因为基因座数目被低估。
总之，两种树蛙类MHC I 类基因的基因座数目均大于1，这 与以前爪蟾类和林蛙类的相关研究结果不一致，但是与Kiem nec-Tyburczy等最近的研究结果一致。
（3）MHC I类基因在无尾类中表现出跨物种多样性。
这些研究结果能在多大程度上反映整个无尾类类 群的情况还不知道。近来Kiemnec-Tyburczy等完成了 一项相关研究，结果表明两栖类MHCI基因的进化情况 比较复杂，仅用极少量的支系来做MHC I类基因的进 化研究 总结出的规律不具有普适应。
➢ 核苷酸水平的分化＜氨基酸水平的分化，说明异义突 变的频率更高，表明该基因可能受到选择。
4、重组检测
（1）RDP软件包
Recombinant BK Potential Parent Sequence
1 Rhom16
239 Rhom13/Unknown(Rhom17)
2 Pome06
239 Rhom15/Rhom18
基因序列的方法和全基因特征的方法
基于基因序列的方法需要利用clustalW等工具将直向 同源基因对齐并进行多样基因序列的校直，并对直向同源 基因明显校直位点进行分析（如利用Gblocks）。一旦这个 关键步骤实现，能够从不同基因（经常是不同长度或包含 不同的物种集合）的校直中利用两种不同的方法继续进行 系统进化的推测：一种是超矩阵法，倾向于分析成串的个 体基因；一种是超树分析，倾向于从个体基因的分析中结 合所得的最优化的进化树
基因座数目
2 3、3 1、2、3、3
本研究
2、2、3
1、1
≤2
Gene duplication 和假基因化可能在两栖类中频繁发生，造成其不同 类群甚至不同种群有不同的基因座数目。
3、遗传多样性
P. megacephalus
R. omeimontis
➢ 多态性： 外显子II ＞ 外显子III ＞ 外显子IV
MHC I 类基因的显著特征之二：
➢跨物种多样性
MHC等位基因会保留很长的时间，甚至经历 物种形成而继续传续下去，最终表现为近缘 物种的MHC基因保持着一定的相似性，在系 统发育树上表现为同一物种的MHC基因并不 聚为一枝。
平衡选择
上述的关于MHC I类基因进化模式以及进化 机制的研究主要集中在哺乳类、鸟类和鱼 类中
基因的进化
2014年4月
1 基因的进化 22 研究内容 3 研究方法 4 以MHC基因为例阐述
基因的进化——进化基因组学
进化基因组学
• 利用基因组数据研究差异基因功能、生物 系统演化，从基因水平探索生物的进化
• 基因组水平理解和诠释进化 • 新基因的分析研究
www.hzdiyan.com www.sysmk120.com www.qcxgqt.com www.tcsac.com http://sj.39.net/dx/150821/4683 408.ht ml http://sj.39.net/dx/150813/4678 236.ht ml http://sj.39.net/dx/151027/4718 029.ht ml http://sj.39.net/dx/151022/4715 371.ht ml http://sj.39.net/dx/151004/4705 366.ht ml http://sj.39.net/dx/150930/4704 783.ht ml http://sj.39.net/dx/150930/4704 782.ht ml http://sj.39.net/dx/150930/4704 774.ht ml http://sj.39.net/dx/150917/4697 896.ht ml http://sj.39.net/dx/150917/4697 875.ht ml http://sj.39.net/dx/150910/4694 211.ht ml http://sj.39.net/dx/150907/4692 250.ht ml http://sj.39.net/dx/150826/4686 088.ht ml http://sj.39.net/dx/150826/4686 071.ht ml http://sj.39.net/dx/150824/4684 239.ht ml http://sj.39.net/dx/150821/4683 376.ht ml http://sj.39.net/dx/150923/4700 943.ht ml http://sj.39.net/dx/150923/4700 935.ht ml http://sj.39.net/dx/151108/4723 015.ht ml
新基因的鉴定
利用生物信息学鉴定新基因 随着生物信息学的快速发展，产生了大量可利用的基因
组信息和分析软件，充分这些数据和工具在鉴定新基因有重 要作用
目前克隆新基因的主要方法基于有EST的电子克隆和定 位克隆。其中电子克隆技术是加速基因克隆的一条有效途径 电子克隆或称cDNA文库筛选，主要采用生物信息学方法延伸 EST序列，获得基因的部分乃至全长cDNA序列。定位候选克 隆策略是利用细胞生物学、分子遗传学以及人类基因组研究 的最新结果，分离鉴定染色体特定位置上功能基因的方法。 目前充分利用整个基因组数库，EST数据库等资源进行网上 克隆，进而分析和鉴定新基因。
基因，进入以下的分析. ➢ 计算遗传多样性指标（MEGA） ➢ 检测重组 （RDP; GARD） ➢ 检测选择信号（PAML; FEL; MEME） ➢ 构建系统发育树（MEGA; jModeltest，MrBayes）
结果
1、MHC I类基因 参照标准：至少在两个个体中出现的序列才被 鉴定为等位基因，共获得27个等位基因。 得到长为735或732nt的cDNA密码子序列，编码2 45或244个氨基酸，覆盖MHCI基因的部分exon2、全 部exon3和部分exon4。