鳞翅目昆虫反转座基因的鉴定与可视化网站开发

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新基因的起源和演化被认为是生物体遗传和表型多样性的重要来源。RNA介导形成的反转座基因是由基因形成m RNA再反转录后重新插入到新的基因组区域而形成的核苷酸序列,是新基因的主要来源之一。在人类和高等动物基因组中,通过分析基因组序列对反转座基因进行了注释,发现了大量与生长、发育和疾病相关的功能基因。越来越多的实验研究表明,反转座基因表现出新的生物学功能,有助于基因组进化。因此,反转座基因的鉴定与分析对于研究新基因的形成非常有意义。反转座基因在人类、斑马鱼和拟南芥等动植物中的研究较为深入,然而在昆虫中的研究较少。而鳞翅目昆虫被用作各种生物过程的研究对象,其遗传资源丰富,进化速度快,是研究反转座基因的宝贵资源。在鳞翅目昆虫中仅研究了个别模式昆虫的反转座基因,且没有进行深入的研究,严重限制对鳞翅目昆虫的反转座基因的作用探究。因此,有必要对鳞翅目昆虫基因组中的反转座基因进行深入研究,进行鳞翅目昆虫的生物体遗传和表型多样性的研究,为鳞翅目昆虫的进化提供新思路。本研究以八种鳞翅目昆虫为对象,鉴定到了大量的反转座基因,全面分析了鳞翅目昆虫的反转座基因的结构、序列特征、功能及进化关系。其次,基于Silk DB3.0网站的家蚕的转录组数据,分析了家蚕的反转座基因与其父基因的表达模式,并初步探究了反转座基因在驯化过程发挥的功能。最后,根据结果分析的需求,本研究利用R语言及R包搭建了反转座基因结果可视化在线网站RetroExplorer,它以数据交互为基础,借助图形要素简化数据表达,为用户提供了极其友好的可视化界面。本研究为鳞翅目昆虫反转座基因的研究提供了新的数据基础,有助于了解鳞翅目昆虫反转座基因的特征与功能,能够比较鳞翅目昆虫间的反转座基因的进化情况,有助于研究家蚕反转座基因在驯化过程发挥的功能。主要结果如下:1.鳞翅目昆虫基因组中的反转座基因本研究以八种鳞翅目昆虫(家蚕、野蚕、斜纹夜蛾、草地贪夜蛾、粉纹夜蛾、烟草天蛾、小菜蛾和偏瞳蔽眼蝶)为对象,鉴定到了大量的反转座基因。基于这些数据,本研究对鳞翅目昆虫的反转座基因进行了系统的分析。第一,鳞翅目昆虫的反转座基因的形成规律,在染色体分布上不存在偏好性,不符合动物中的的反转座基因的“out of X”假说。第二,鳞翅目昆虫的反转座基因的结构特征,与父基因相比,反转座基因在进化的过程中通过插入到基因中、招募新的调控元件、丢失增强子等方式形成可以发挥功能的基因,很可能进化成新的蛋白质基因,并推动遗传创新和适应性进化。第三,鳞翅目昆虫的反转座基因的选择压力,99%的反转座基因的Ka/Ks值小于1,表明它们受到纯化选择;91.7%的反转座基因的Ka/Ks小于0.5,说明大部分反转座基因受到严格的功能限制。第四,鳞翅目昆虫的反转座基因的功能注释,GO功能归类和KEGG通路分析结果显示,最为显著的功能主要集中在生物过程的生长过程、免疫过程和代谢过程中,可能在鳞翅目昆虫的生长发育过程中发挥着重要功能。第五,鳞翅目昆虫的反转座基因的进化分析,反转座基因发生两次爆发,且主要由古老的反转座事件形成,平均为每百万年形成0.811个反转座基因。鳞翅目昆虫中物种特有的反转座基因较多,可能是物种与祖先物种分化之后独立形成,是进一步探索鳞翅目昆虫进化的重要起点。2.家蚕的反转座基因的表达分析本研究全面分析了家蚕的反转座基因及其父基因的表达模式。首先,在不同时期,家蚕存在过量的反转座基因具有精巢组织特异性表达的现象(是其他组织平均数的4.83倍),且这些反转座基因随后进化出广泛的表达模式,表明家蚕的反转座基因的表达符合“out of testis”假说。其次,家蚕基因组中,古老的反转座基因、年轻的反转座基因及父基因三者的表达都存在显著性差异,表达模式不相似,表明反转座基因与父基因的表达不存在线性相关性,反转座基因与父基因的功能不相似。最后,有8个反转座基因与驯化候选基因重叠,其中有7个基因在基因组中被注释为功能基因,且受到严格的选择性的功能限制,推测在驯化过程中发挥了作用。3.反转座基因结果的在线可视化工具的开发本研究开发了反转座基因在线可视化工具RetroExplorer,此工具不受物种限制,用户可以鉴定任意物种的反转座基因,并将结果上传可视化网站进行结果的可视化。RetroExplorer以简单的交互为基础,借助图形要素简化反转座基因的数据呈现,结果展示主要包括四个部分:Summary,Retrocopy,KaKs和Expression。RetroExplorer帮助科研工作者从庞杂的数据中迅速识别反转座基因的信息线索,为用户提供了清晰且全面的反转座基因及其父基因的信息展示,简化了反转座基因的结果分析,为促进基因重复和新基因的起源研究提供强有力的工具。
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