物种形成过程中基因表达调控的进化

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早在30年前,King和Wilson(1975)就发现人和黑猩猩在大分子水平上的差异是如此之小,并不能解释二者之间所存在的形态、生理及行为等各方面存在的巨大差异,从而提出可能是基因表达调控的改变造成人和黑猩猩的不同。本文中我们利用果蝇和灵长类动物两个系统开展研究:首先,我们利用cDNA基因芯片研究黑腹果蝇(D.melanogaster)的两个种族M和Z间基因表达的差异及自然选择;其次,我们研究了果蝇中microRNA的进化(见附录A);再次,我们在DNA序列水平上研究了HLA Ⅱ类基因调控区的多态性及其进化,我们还研究了转录因子孕酮受体(PR)基因在人和黑猩猩中的进化。 D.melanogaster种族Z生存于非洲津巴布韦及其附近,种族M却分布于世界各地,二者之间具有不完全的生殖隔离,仍处于物种形成的初期。过去十年来,基因芯片技术的发展,使人们可以在基因组水平上研究基因表达谱变化,用该技术从基因表达调控方面对物种的进化的研究方兴未艾。采用两种实验设计研究了D.melanogaster(包括M和Z两个种族)、D.simulans及D.mauritiana的头部基因表达谱。应用核心设计比较了混合品系样本M和Z间的平均表达差异,应用GO分类发现二者之间表达差异基因中,具有明显多的生殖行为相关基冈,提示这些基因可能在物种形成过程中起着重要作用;应用完全设计,比较了M和Z种族间和种族内的基因表达方差,发现大部分(81%)基因受到稳定性选择作用,大约1%的基因受到定向选择;利用D.simulans和D.mauritiana为外类群,发现M较Z基因表达进化更快,这与其序列水平上是一致的,说明种族M迁出非洲后对新环境的适应;应用M和z间substitution品系,发现种族特异基因比多态性基因受到更多的cis因子作用。 HLAlI类基因的第二外显子编码抗原结合沟槽,具有杂合子优势,受到强平衡选择作用。HLA—DPA1和-DPB1转录方向相反,只相距约2.5kb。对我国南方群体该两基因调控区多念性的研究显示,该区域具有极高多态性,并且存在两类古老的单倍型(Clade I和II),在人和黑猩猩分离前已经产生;两基因第二外显子间明显的重组现象,说明该古老单倍型不可能是由于此两外显子间的相互作用造成的,从而唯一的解释是调控区自身受到强平衡选择;调控区与DPA1,第二外显子的高度连锁不平衡,说明二者之间具有相互作用而一起受到平衡选择,与其共同调控机体对外来抗原的Thl/Th2免疫反应相一致;Clade II单倍型在我国西南拉祜族中比较常见(33%),而在汉族及世界其它主要群体中的频率均在5%以下,甚至丢失,提示我们在过去的10000年中生存环境的改变导致了一些基因多态性在人类主要群体中丢失,而保存在了相对隔离的小群体中。通过比较HLA—DRB5与两外三个DRB可表达基因的调控区多态性,发现DRB5调控区具有过多的高频率多态性位点,说明该区域存在一强的selectiVe sweep。 最后,研究了转录因子孕酮受体(PR)的进化,在人类和黑猩猩之间Ka/Ks值明显大于1,并且大部分非同义突变落在了ID区域;Likelihood ratio tests显示人和黑猩猩两枝的Ka/Ks值明显不同于其它灵长类,并且明显大于1。所有这些提示该基因在人和黑猩猩中受到正选择作用。山于该基因在雌性和雄性生殖发育中的功能,其可能在人类的物种形成及进化中起着重要作用。除此之外,该基因还被发现与乳腺癌及卵巢癌相关,提示我们由于基因的多效性,为适应某方面环境而快速进化的基因可能在另一方面导致疾病。
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