基于SNP检测减数分裂重组介导的突变和选择作用的生物信息学研究

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减数分裂重组(简称重组)是真核细胞的减数分裂过程中程序性发生的受严密调控的细胞生物学过程。该过程涉及染色体断裂、同源染色体之间形成物理接触、交换遗传信息等一系列分子事件。重组过程中同源染色体之间形成的交叉(crossover)结构对染色体的正确分离所必需的,非整倍体的产生与重组异常密切相关。减数分裂重组不仅通过协助染色体分离在配子发生中发挥重要作用,而且还是遗传变异的重要来源。重组既能够诱导突变的发生,也能够促进同源染色体之间的基因转变。另外,重组通过破坏基因遗传连锁和优化基因组合,促进自然选择效率。尽管重组对基因组进化的作用已经研究了很多年,但重组率图谱的分辨率、重组的确切分子机制等因素影响着人们对“重组介导的基因组进化规律”的认识。本文中,基于较高分辨率的重组率图谱和千人基因组SNP数据,从两个方面研究重组对人类基因组进化的作用:(1)重组如何塑造SNP相关的基因组变异特征?(2)重组是否通过依赖于紧邻碱基的突变推动基因组进化?主要研究内容和结果如下:一、基于千人基因组SNP数据(vcf文件),用VCFtools、Snp Eff、SNPsift等工具结合编程计算,研究SNP位点上的突变偏好性、四种等位基因在SNP位点上的含量以及人群中出现的频率,及其与重组率的相关性。发现:(1)在高重组区域出现较多的T/A稀有等位基因,这与重组诱导的C/G>T/A突变偏向性有关;(2)相较于A/T等位基因,C/G等位基因在群体中出现的频率较高,这可能与重组过程中形成的异源双链区发生的偏向GC突变的基因转变有关,这种基因转变有利于C/G等位基因在群体中的传播扩散。二、通过分析SNP位点上非同义替换与同义替换的比值、核苷酸多样性、Tajima’s D和等位基因杂合度等指标来判断重组相关的选择效应。发现:(1)与非编码区相比,编码区受到更强的负选择,稀有等位基因较少,重组加强该区的负选择作用;(2)然而在全基因组水平上,低重组率区域的遗传变异比高重组率区域受到更强的负选择;(3)基因集富集分析表明,在高重组率的影响下,参与细胞周期、RNA加工和卵母细胞减数分裂的基因受到强烈的负选择。三、提出了一种基于互信息和条件互信息定量分析突变对紧邻碱基依赖性的方法,发现在高重组区域,紧邻碱基依赖的突变偏好性加强,并提供了重组相关的突变对紧邻碱基的依赖关系的全貌。总而言之,在现有最高分辨率重组率图谱的基础上在全基因组水平上揭示了重组相关的基因组进化模式及选择作用。结果既支持重组介导的GC偏向基因转变假说,也提示重组过程中存在C/G>T/A突变偏向性。
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