脊椎动物共经历了两次全基因复制。现有研究认为,基因复制是生物表型多样化的基础。基因复制提供了新的拷贝,这些拷贝在正选择的作用下形成新的基因。在复制后基因的命运有两种:其中一些失去功能变成伪基因,另一些则被保留下来形成新基因。这些新基因可能维持了原有的功能,也可能获得了新功能。在小反刍家畜中,人们对迄今为止所有的功能基因究竟是如何分化的,又是如何适应家养环境的还知之甚少。因此,我们对小型反刍动物中发生了复制事件的功能基因的选择信号和适应性进化展开研究,以期将遗传变异与表型联系起来,从而在有限的资源条件下提高家畜生产力。1.MC1R基因的适应性进化为山羊种群分化提供了证据基因复制及随后的功能分化是适应性进化的基本过程,它导致了―同源不同功‖的基因家族的形成。目前选择对中国地方山羊群体表型多样性形成的影响机制尚不清楚。因此,本研究探讨了中国地方山羊群体在驯化过程中发生在复制后的功能基因上的适应性选择。为了检测中国地方山羊群体中重要经济性状的基因正选择信号,我们用直接测序法检测了五个中国地方山羊群体中12个与重要经济性状相关的基因,检测到13个SNP位点,根据SNP位点的等位基因频率计算Fst值,用高Fst逃逸法检验各基因的选择情况。用最大似然法在密码子水平上对哺乳动物MC1R基因进行正选择检验。用DATAMONKEY在线程序的HyPhy包进行基于最大似然模型的进化分析。我们发现在被检测的13个SNP位点中,MC1R基因在五个中国地方山羊群体中存在正选择信号。基于密码子的正选择检验和选择分化检验结果表明不同哺乳动物种皮毛色泽的遗传变异主要来源于MC1R的正选择分化。山羊MC1R基因的正选择检验和选择分化检验结果显示了驯化对基因进化的调控作用。2.TYRP1和TYRP2基因的适应性进化揭示了不同海拔环境下绵羊群体的受选择情况基因复制和功能分化对形成新的基因功能非常重要。然而,很少有研究关注中国地方山羊在不同环境中的分化是正选择固定有利突变(主要是非同义突变)导致的,还是随机固定中性突变导致的。为此,本研究探讨了中国绵羊群体TYRP1和TYRP2基因的海拔适应性进化机制,为正选择驱动地方山羊的进化提供证据。选用高原型藏羊、欧拉型藏羊、山谷型藏羊、乌珠穆沁羊、苏尼特羊、滩羊、广灵大尾羊、小尾寒羊和湖羊为材料。通过直接测序法检测绵羊群体TYRPs基因的SNP,计算这些位点的基因频率与海拔高度间的相关系数,对不同高海拔绵羊群体的等位基因频率进行差异分析。构建12个物种TYRP1和TYRP2基因的系统进化树,计算它们的相似性和受选择情况。用Lositan软件对9个绵羊群体中TYRPs基因SNP位点进行了正选择检验。结果表明:TYRP1基因中有21个SNP位点,其中有5个SNP位点的等位基因频率与海拔高度存在显著的关联(p<0.05;g.11121C>T,r=0.69444;g.11124T>C,r=0.78274;g.26549C>G,r=0.75280;g.26682C>T,r=-0.75537;g.26730C>A,r=-0.71120),1个位点的等位基因频率在高海拔和中、低海拔的绵羊群体间差异显著(p<0.05),3个位点的等位基因频率在高海拔和低海拔的绵羊群体间差异显著(p<0.05),1个位点的等位基因频率在高海拔和中海拔的绵羊群体间差异显著(p<0.05);TYRP2基因中有14个SNP位点,在该基因中没有观察到与海拔相关的变异(p>0.05)。12个物种间的TYRPs基因正选择分析表明,TYRP1基因处于显着正选择状态,TYRP2基因主要受到纯化选择。9个绵羊群体中35个SNP位点的正选择检验结果表明,TYRP1基因中有5个SNP位点受到了正选择,TYRP2基因的有3个SNP位点受到平衡选择。这些结果表明:绵羊TYRP1和TYRP2基因的一些SNP位点在不同海拔高度环境下发生了适应性进化,分别处于正选择和平衡选择中。绵羊TYRP1基因的正选择定向固定了能够适应强紫外线环境的突变,以提高绵羊对高海拔环境的适合度。3.突变定位显示Tyrp1基因对绵羊高海拔的适应性功能进化当突变改变了基因产物序列或影响基因表达时,新的基因功能和相关表型产生了。因此,研究为复制基因的进化有助于我们理解它们的功能分化过程。酪氨酸酶相关蛋白1基因(Tyrp1)是酪氨酸酶基因的复制产物,负责将酪氨酸转化为黑色素的酶学步骤。本研究旨在比较野生和突变的Tyrp1活性在结构和功能上的差异,探讨它们在哺乳动物进化过程中的作用。酪氨酸酶相关蛋白1(TYRP1)参与了催化酪氨酸转化为黑色素的过程,具有多种生物学功能。然而,现有研究多集中于TYRP1的多酚氧化活性,却忽略了该蛋白的其他功能。本研究旨在通过测定野生和突变型TYRP1酶活性来研究突变对TYRP1功能的影响。我们预测了绵羊三种突变型(S46C,A486V和A510)TYRP1蛋白的二维和三维结构。用HEK 293T细胞表达了野生型和三种突变型绵羊TYRP1蛋白,通过检测野生型TYRP1和突变型TYRP1的酶活性变化来分析这些突变对蛋白功能的影响。我们发现相较于以L-酪氨酸和DHICA为底物,TYRP1对L-多巴有更高的酶活性。相较于野生型TYRP1,三种突变型蛋白(S46C、A486V和A510)都表现了较低的单酚酶活性。这可能是由于在带正电荷的丝氨酸突变为极性的苏氨酸后,TYRP1的动态结合位点和构型排列发生了改变,而突变后的不稳定构型可能破坏了Tyrp1正常功能,从而影响了绵羊的色素合成途径。这可能是绵羊对不同海拔,不同紫外线辐射压力的适应性进化的结果。4.哺乳动物卵巢功能调节基因BMP15和GDF9的正选择信号基因复制提供了能够导致选择压力松弛的拷贝。骨形态发生蛋白(BMPs)和生长因子(GDFs)是颗粒细胞发育的重要调节因子,在卵巢卵泡发生过程中发挥了重要作用。它们的变异与多种卵巢表型变化相关,且对不同的物种有不同的影响,如绵羊从不育到高繁殖力变异,女性原发性卵巢功能不全和小鼠不育。本研究旨在揭示哺乳动物进化中功能基因的物种特异性适应进化。为了研究BMP15和GDF9的进化过程,我们对两个基因进行了系统发育分析。为了找出与哺乳动物多胎性相关的候选突变,我们检验了32种哺乳动物中BMP15和GDF9基因的正选择位点。基于最大似然法的正选择分析显示BMP15和GDF9基因相比于其他TGFβ家族成员存在更稳定的分化和更快速的进化。正选择分析的结果表明在人科分支上,BMP15上的132D、147E、163Y、191W和236P氨基酸位点,GDF9上的162F、188K、206R、240A、244L、246H、248S、251D、253L和254F等氨基酸残基受到了正选择。这些正选择的氨基酸位点,如丙氨酸、亮氨酸、精氨酸和赖氨酸对在信号转导过程中起到了重要作用,可能影响了蛋白质的功能。总的来说,我们的结果显示不同进化阶段的基因复制导致了不同哺乳动物物种的表型差异。正选择分析提供了大量候选位点以探索这些基因功能分化,适应性进化和表型进化。综上所述,正选择促进小反刍家畜重复基因的多样性。