论文部分内容阅读
对虾是对虾科动物的统称，属于甲壳动物亚门十足目，是水生动物的重要代表类群，具有不可替代的科学价值。同时，对虾又作为世界重要的水产养殖对象，具有重要的经济价值。对虾基因组的破译和大量组学数据的积累，不仅对阐明对虾特殊的生命现象、解析对虾的适应性机制、研究对虾乃至甲壳动物的演化历史和生态地位具有重要意义，而且可以为以对虾代表的经济甲壳动物的遗传育种奠定重要的基础。本论文以凡纳滨对虾（Litopenaeus vannamei）的组学数据为基础，系统研究了对虾基因组中三个基因家族的扩张和基因可变剪切与对虾环境适应的关系。本研究不仅为阐明对虾等甲壳动物对环境适应的分子机制奠定重要基础，而且对对虾养殖环境和生态调控具有一定指导意义。主要研究结果如下:
1.凡纳滨对虾肌动蛋白(Actin)和肌球蛋白重链(Myosin heavy chain,MYH)基因家族的结构和功能研究
凡纳滨对虾具有发达的腹部肌肉系统，使其能够迅速躲避敌害袭击，适应底栖生活，而Actin和MYH是两种主要的肌肉组成蛋白。本论文结合基因组和转录组数据，从凡纳滨对虾基因组中鉴定出37个Actin基因和16个MYH基因。综合序列结构、功能域和系统发生分析的结果，将它们分为4类:快肌型、慢肌型、心肌型和细胞质型。相比于其他近缘物种，快肌型Actin、慢肌型Actin和快肌型MYH基因在对虾基因组中均发生了显著扩张。这些基因家族成员之间高度的序列相似性和在基因组上成簇分布的特征表明它们可能是通过串联复制实现扩张的。不同类型的对虾Actin和MYH基因在时空表达上存在显著差异。在不同组织中的表达分析结果表明，快肌型Actin和MYH基因主要在腹部肌肉中高表达，慢肌型Actin和MYH基因主要在包含肌肉成分的组织中表达，心肌型Actin和MYH基因在心脏中高表达，而细胞质型Actin和MYH基因在所有组织中均表达。大多数Actin和MYH基因在胚胎发育的肢芽期至膜内无节幼体期开始转录表达，并随着幼体的发育和运动能力的加强，表达量逐渐提高，显示对虾肌肉系统主要在溞状幼体期和糠虾幼体期开始发育。通过对慢肌型Actin和MYH基因的原位杂交，证实对虾腹部的表层肌肉和游泳足内的肌肉属于慢肌型。以上结果表明，对虾基因组中显著扩张的快肌型Actin和MYH可能是对虾腹部肌肉发达的原因之一，从而使其拥有很强的爆发力;显著扩张的慢肌型Actin使对虾的游泳足可以持久游泳。这两者的配合使对虾既具有快速逃逸躲避敌害的能力，又具有比其他甲壳动物更强的游泳能力。
2.凡纳滨对虾保幼激素酯酶样羧酸酯酶(CXE)基因家族的结构和功能多样性分析
对虾一生要经历约50次左右蜕皮，如此频繁的蜕皮为对虾快速生长提供了保障。昆虫的保幼激素酯酶(juvenile hormone esterase，JHE)在早期发育和蜕皮过程中起重要作用，甲壳动物中的保幼激素酯酶样羧酸酯酶(JHE-like carboxylesterase，CXE)与JHE基因同源，但是在对虾复杂的蜕皮通路中，CXE基因的功能尚不清楚。通过对对虾基因组和转录组数据进行分析，本研究鉴定出21条CXE基因（LvCXE），为对虾基因组中发生显著扩张的基因家族之一。所有LvCXE均有保守的催化三联体位点和特征性的GxSxG结构域，其中有14个基因的特征性结构域为GESAG，并且13个含GESAG的LvCXE在系统发育树中聚为一支，表明含GESAG结构域的CXE基因在对虾中发生特异性扩张。大多数LvCXE在对虾的肝胰腺、肠道和卵巢中高表达，其组织分布特征与甲基法尼酯(MF)降解的主要部位相吻合，暗示它们之间可能存在功能关系。从对虾不同的发育时期来看，有10个LvCXE在溞状幼体期至仔虾期高表达，其中包含7个含GESAG结构域的基因。在对虾的不同蜕皮时期，有16个LvCXE（包含11个含GESAG结构域的基因）的表达模式相似:在蜕皮间期和D0期高表达，D3期表达量降到最低，D4期表达量又急剧升高。在对虾蜕皮前期注射昆虫CXE的抑制剂OTFP后，可导致对虾不能完成蜕皮过程而死亡，且OTFP的注射可引起蜕皮激素应答关键转录因子基因如LvE75、LvBr-c、LvHr3、LvFtz-f1等的表达量显著下调，说明LvCXE在对虾蜕皮过程中发挥着重要作用。以上结果表明对虾中特异性扩张的LvCXE具有功能多样性，在幼体发育和生长蜕皮过程中均起重要的调节作用。
3.凡纳滨对虾全基因组范围可变剪切事件及功能多样性研究
可变剪切是调节基因表达和产生蛋白质组多样性的主要方式之一，然而对虾中可变剪切相关研究的报道很少。结合对虾基因组和多个转录组数据，本研究在对虾中共鉴定到9209个基因存在38，781个可变剪切事件，其中外显子跳跃(ES)、3端可变剪切(A3SS)、5端可变剪切(A5SS)、内含子保留(RI)和外显子互斥(MXE)的比例分别为13.35％、11.43％、10.8％、6.77％、2.36％。所有基因的内含子边界剪切模式以GT-AG模式最多，占92.3％，其次是GC-AG，AT-TC，AT-AC。与非可变剪切基因相比，可变剪切基因的平均长度更长、外显子数目更多、外显子长度更长、内含子更短。非可变剪切基因的功能主要包括:DNA整合、DNA代谢、核酸代谢、神经系统等生物学过程，而多可变剪切基因的功能主要包括响应生物胁迫和响应外界刺激等相关过程。根据剪切形式增加趋势的差异，可变剪切基因可分为typeⅠ基因和typeⅡ基因。typeⅠ基因是指只在胁迫后发生可变剪切的基因，即这类基因在正常状态下只有一种转录本，但是胁迫后转录多种形式的转录本;typeⅡ基因是指正常状态下已经可以转录多种可变剪切转录本，但是一些特定剪切形式的转录本只在胁迫状态后转录。微生物（白斑综合症病毒WSSV、副溶血弧菌、金黄色葡萄球菌）感染后，对虾全基因组可变剪切事件的总数目显著增多，而且各种类型的可变剪切的数目均大幅度增加。其中typeⅠ基因的功能相似，主要与物质和能量代谢相关，起到维持基础代谢平衡、确保物质和能量供应的作用;typeⅡ基因的功能主要和免疫相关，但针对不同病原有所差异:WSSV组主要富集在NLR受体通路;副溶血弧菌组主要富集到细胞外基质受体相互作用和产生IgA的肠道免疫网络通路;金黄色葡萄球菌组显著富集到“志贺氏菌病”、“致病性大肠杆菌感染”、“上皮细胞的细菌感染”等抵御病原的通路。该结果表明对虾在受到微生物感染后，通过改变免疫相关基因的可变剪切模式达到清除不同病原的目的。同时有7个剪切因子(splicing factor)基因的表达量在微生物感染后显著上调，表明可变剪切在微生物感染过程中的调控有一定的相似性。可变剪切在物理因子胁迫过程中也发挥着重要作用。对虾全基因组的可变剪切事件的数量在低盐胁迫后显著增加，typeⅠ基因主要富集到嘌呤代谢和过氧化物酶体等过程，typeⅡ基因主要和阳离子结合、离子结合、甜菜碱合成等过程相关，维持机体内外的渗透压平衡。另外，高温胁迫促进了ES、A3SS、A5SS的特异性可变剪切而抑制了RI的特异性可变剪切;其中鳃中与RNA结合、结合、核酸结合等过程相关基因的可变剪切模式的变化可能是下游大规模的可变剪切调节或转录表达调控的基础;肝胰腺中与泛素转移酶活性、核内泛素连接酶复合物过程相关基因的可变剪切模式的变化，可能与机体内错误折叠蛋白的清除过程相关。以上结果表明可变剪切在凡纳滨对虾响应外界环境胁迫过程中起着重要作用。
对虾基因组中基因家族的扩张和可变剪切形式的增加丰富了基因组成和表达形式的多样性，进而促进了基因功能多样性的发挥。Actin和MYH基因家族的显著扩张促进了对虾快肌和慢肌的进化，提升了对虾迅速躲避敌害袭击的能力;CXE基因家族的扩张则为对虾的频繁蜕皮提供精确的调控保障;对虾中丰富的可变剪切事件在增加了转录本和蛋白质的结构与功能多样性的同时，也使得对虾获得较强的环境适应能力，在应对生物因子和物理因子刺激时，体现出了独特的响应和适应机制。以上结果表明，基因扩张和可变剪切均是对虾适应环境的重要途径。
1.凡纳滨对虾肌动蛋白(Actin)和肌球蛋白重链(Myosin heavy chain,MYH)基因家族的结构和功能研究
凡纳滨对虾具有发达的腹部肌肉系统，使其能够迅速躲避敌害袭击，适应底栖生活，而Actin和MYH是两种主要的肌肉组成蛋白。本论文结合基因组和转录组数据，从凡纳滨对虾基因组中鉴定出37个Actin基因和16个MYH基因。综合序列结构、功能域和系统发生分析的结果，将它们分为4类:快肌型、慢肌型、心肌型和细胞质型。相比于其他近缘物种，快肌型Actin、慢肌型Actin和快肌型MYH基因在对虾基因组中均发生了显著扩张。这些基因家族成员之间高度的序列相似性和在基因组上成簇分布的特征表明它们可能是通过串联复制实现扩张的。不同类型的对虾Actin和MYH基因在时空表达上存在显著差异。在不同组织中的表达分析结果表明，快肌型Actin和MYH基因主要在腹部肌肉中高表达，慢肌型Actin和MYH基因主要在包含肌肉成分的组织中表达，心肌型Actin和MYH基因在心脏中高表达，而细胞质型Actin和MYH基因在所有组织中均表达。大多数Actin和MYH基因在胚胎发育的肢芽期至膜内无节幼体期开始转录表达，并随着幼体的发育和运动能力的加强，表达量逐渐提高，显示对虾肌肉系统主要在溞状幼体期和糠虾幼体期开始发育。通过对慢肌型Actin和MYH基因的原位杂交，证实对虾腹部的表层肌肉和游泳足内的肌肉属于慢肌型。以上结果表明，对虾基因组中显著扩张的快肌型Actin和MYH可能是对虾腹部肌肉发达的原因之一，从而使其拥有很强的爆发力;显著扩张的慢肌型Actin使对虾的游泳足可以持久游泳。这两者的配合使对虾既具有快速逃逸躲避敌害的能力，又具有比其他甲壳动物更强的游泳能力。
2.凡纳滨对虾保幼激素酯酶样羧酸酯酶(CXE)基因家族的结构和功能多样性分析
对虾一生要经历约50次左右蜕皮，如此频繁的蜕皮为对虾快速生长提供了保障。昆虫的保幼激素酯酶(juvenile hormone esterase，JHE)在早期发育和蜕皮过程中起重要作用，甲壳动物中的保幼激素酯酶样羧酸酯酶(JHE-like carboxylesterase，CXE)与JHE基因同源，但是在对虾复杂的蜕皮通路中，CXE基因的功能尚不清楚。通过对对虾基因组和转录组数据进行分析，本研究鉴定出21条CXE基因（LvCXE），为对虾基因组中发生显著扩张的基因家族之一。所有LvCXE均有保守的催化三联体位点和特征性的GxSxG结构域，其中有14个基因的特征性结构域为GESAG，并且13个含GESAG的LvCXE在系统发育树中聚为一支，表明含GESAG结构域的CXE基因在对虾中发生特异性扩张。大多数LvCXE在对虾的肝胰腺、肠道和卵巢中高表达，其组织分布特征与甲基法尼酯(MF)降解的主要部位相吻合，暗示它们之间可能存在功能关系。从对虾不同的发育时期来看，有10个LvCXE在溞状幼体期至仔虾期高表达，其中包含7个含GESAG结构域的基因。在对虾的不同蜕皮时期，有16个LvCXE（包含11个含GESAG结构域的基因）的表达模式相似:在蜕皮间期和D0期高表达，D3期表达量降到最低，D4期表达量又急剧升高。在对虾蜕皮前期注射昆虫CXE的抑制剂OTFP后，可导致对虾不能完成蜕皮过程而死亡，且OTFP的注射可引起蜕皮激素应答关键转录因子基因如LvE75、LvBr-c、LvHr3、LvFtz-f1等的表达量显著下调，说明LvCXE在对虾蜕皮过程中发挥着重要作用。以上结果表明对虾中特异性扩张的LvCXE具有功能多样性，在幼体发育和生长蜕皮过程中均起重要的调节作用。
3.凡纳滨对虾全基因组范围可变剪切事件及功能多样性研究
可变剪切是调节基因表达和产生蛋白质组多样性的主要方式之一，然而对虾中可变剪切相关研究的报道很少。结合对虾基因组和多个转录组数据，本研究在对虾中共鉴定到9209个基因存在38，781个可变剪切事件，其中外显子跳跃(ES)、3端可变剪切(A3SS)、5端可变剪切(A5SS)、内含子保留(RI)和外显子互斥(MXE)的比例分别为13.35％、11.43％、10.8％、6.77％、2.36％。所有基因的内含子边界剪切模式以GT-AG模式最多，占92.3％，其次是GC-AG，AT-TC，AT-AC。与非可变剪切基因相比，可变剪切基因的平均长度更长、外显子数目更多、外显子长度更长、内含子更短。非可变剪切基因的功能主要包括:DNA整合、DNA代谢、核酸代谢、神经系统等生物学过程，而多可变剪切基因的功能主要包括响应生物胁迫和响应外界刺激等相关过程。根据剪切形式增加趋势的差异，可变剪切基因可分为typeⅠ基因和typeⅡ基因。typeⅠ基因是指只在胁迫后发生可变剪切的基因，即这类基因在正常状态下只有一种转录本，但是胁迫后转录多种形式的转录本;typeⅡ基因是指正常状态下已经可以转录多种可变剪切转录本，但是一些特定剪切形式的转录本只在胁迫状态后转录。微生物（白斑综合症病毒WSSV、副溶血弧菌、金黄色葡萄球菌）感染后，对虾全基因组可变剪切事件的总数目显著增多，而且各种类型的可变剪切的数目均大幅度增加。其中typeⅠ基因的功能相似，主要与物质和能量代谢相关，起到维持基础代谢平衡、确保物质和能量供应的作用;typeⅡ基因的功能主要和免疫相关，但针对不同病原有所差异:WSSV组主要富集在NLR受体通路;副溶血弧菌组主要富集到细胞外基质受体相互作用和产生IgA的肠道免疫网络通路;金黄色葡萄球菌组显著富集到“志贺氏菌病”、“致病性大肠杆菌感染”、“上皮细胞的细菌感染”等抵御病原的通路。该结果表明对虾在受到微生物感染后，通过改变免疫相关基因的可变剪切模式达到清除不同病原的目的。同时有7个剪切因子(splicing factor)基因的表达量在微生物感染后显著上调，表明可变剪切在微生物感染过程中的调控有一定的相似性。可变剪切在物理因子胁迫过程中也发挥着重要作用。对虾全基因组的可变剪切事件的数量在低盐胁迫后显著增加，typeⅠ基因主要富集到嘌呤代谢和过氧化物酶体等过程，typeⅡ基因主要和阳离子结合、离子结合、甜菜碱合成等过程相关，维持机体内外的渗透压平衡。另外，高温胁迫促进了ES、A3SS、A5SS的特异性可变剪切而抑制了RI的特异性可变剪切;其中鳃中与RNA结合、结合、核酸结合等过程相关基因的可变剪切模式的变化可能是下游大规模的可变剪切调节或转录表达调控的基础;肝胰腺中与泛素转移酶活性、核内泛素连接酶复合物过程相关基因的可变剪切模式的变化，可能与机体内错误折叠蛋白的清除过程相关。以上结果表明可变剪切在凡纳滨对虾响应外界环境胁迫过程中起着重要作用。
对虾基因组中基因家族的扩张和可变剪切形式的增加丰富了基因组成和表达形式的多样性，进而促进了基因功能多样性的发挥。Actin和MYH基因家族的显著扩张促进了对虾快肌和慢肌的进化，提升了对虾迅速躲避敌害袭击的能力;CXE基因家族的扩张则为对虾的频繁蜕皮提供精确的调控保障;对虾中丰富的可变剪切事件在增加了转录本和蛋白质的结构与功能多样性的同时，也使得对虾获得较强的环境适应能力，在应对生物因子和物理因子刺激时，体现出了独特的响应和适应机制。以上结果表明，基因扩张和可变剪切均是对虾适应环境的重要途径。