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纤毛虫原生动物具有独特的大小两种核型,大核(macronucleus)内的基因具有转录活性,是营养核(somatic nucleus),而小核(micronucleus)则一般认为不具转录活性,为生殖核(germlin-nucleus);在接合生殖过程中,单倍体的小核在配对的两细胞间互换,再经融合形成二倍体合子核,合子核有丝分裂产物将分别形成新的大、小核,旧的大、小核将退化消失。而在排毛亚纲纤毛虫中,小核基因通常被内在消失序列(internal eliminated sequences,IESs)分隔成多个大核准基因序列(macronuclear destined sequences,MDSs)片断,甚至有些小核基因MDSs的排布顺序会发生变化,形成乱序基因(Scrambled gene)。在接合生殖小核向大核发育的过程中,IESs被删除而MDSs经过重组连接形成具功能的大核基因。排毛亚纲纤毛虫小核基因结构特性以及乱序小核基因的存在为研究DNA剪切消除、重组拼接的分子机制,以及近年来兴起的表观遗传学研究提供了理想的模式,通过对小核基因结构演变的研究将增加我们对相关基因进化路径以及分子进化机制的认知。本研究在3种排毛类纤毛虫(Pseudokeronopsisrubra,Uroleptopsis citrina, Oxytricha trifallax)中由多克隆测序共得到5条完整大核基因的共有序列(consensus sequences),和相应基因的4条完整的和1条不完整的小核基因共有序列,并得到3条上述小核基因的异型分子的共有序列。主要研究内容和结果如下:
1)成功扩增了排毛类纤毛虫Pseudokeronopsis rubra和Uroleptopsis citrina两个种完整的大核ActinⅠ(肌动蛋白Ⅰ型)基因序列;在P.rubra中得到1条完整的小核ActinⅠ基因序列和2条不同类型小核ActinⅠ分子的部分序列;在U.citrina中得到2条完整的不同类型小核ActinⅠ基因序列。基于新的数据及分析,我们推断:①片断化水平与小核ActinⅠ基因产生乱序之间没有必然的联系,并且MDSs的分裂和融合在小核ActinⅠ基因的进化过程中均有可能发生;②乱序的小核ActinⅠ基因仅存在于散毛目纤毛虫,而并非整个排毛亚纲纤毛虫;③小核ActinⅠ基因结构可能在目级或是更低级分类阶元中具有独立的进化起源;④排毛亚纲纤毛虫可能存在一种进化机制,即在种群内,接合生殖过程中来自旧大核的母源全长RNA分子在指导小核基因的重组拼接过程中,也同时对小核基因的所有MDSs区域产生选择压力,并导致大、小核基因在此过程中进行协同进化。
2)成功扩增了排毛类纤毛虫Oxytricha trifallax-ZJ完整的大核ActinⅠ,DNApol-α(DNA聚合酶α),α-TBP(端粒结合蛋白α亚基)基因序列;得到了Oxytrichatrifallax-ZJ完整的小核ActinⅠ,α-TBP基因序列以及DNA pol-α基因的部分小核序列。比较研究了形态种Oxytricha trifallax两个种群(或亚种)的三个乱序的小核基因结构(ActinⅠ,DNA pol-α,α-TBP),首次对多个小核基因结构在种内(亚种间)的多样性及进化问题进行了探讨。基于序列分析,在DNA pol-α基因中发现了一例IES转换为MDS的痕迹(即小核专有序列向大核基因序列的转换),以及由此导致的原先的MDS的丢失。进一步增加了我们对于排毛类纤毛虫小核基因组在进化过程中可塑性以及小核基因进化方式的认知。
3)实验方法上的改进:将直接跑胶分离小核DNA的方法引入到Pseudokeronopsis rubra和Uroleptopsis citrina的小核基因扩增实验中,在检验了该方法在这两种纤毛虫中的不适用性后,通过组合使用跑胶分离得到的小核DNA,Site-Finding PCR,巢式PCR等方法成功获得其小核基因序列;在Oxytrichatrifallax-ZJ的小核基因扩增实验中,通过乱序基因结构预测,首次以总DNA扩增得到小核基因序列,为后续相关研究提供了方法上的参考。