驯化酵母mRNA二级结构在同义位点受到广泛的正选择

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mRNA是一类将遗传信息从DNA传递至蛋白质的核糖核苷酸分子链。作为分子生物学中心法则的关键节点,mRNA在整个信息传递过程中起到承上启下的作用。新近研究发现,mRNA与其他单链RNA分子相似,可以通过分子内碱基互补配对的方式在局部折叠,形成复杂的二级结构,并且在基因表达,尤其在翻译效率调控中,发挥着重要的生物学功能。这样的功能重要性造成了演化保守性,先前的研究通过比较不同物种的序列找到多个保守的mRNA二级结构区域,纯化选择会因为施加在mRNA二级结构上的功能限制而去除群体中发生的有害突变。然而,当某个突变改变mRNA二级结构后,该基因的翻译效率可能变高或者变低,而这很有可能会提高该个体的适合度,也就是使该个体更好地适应环境变化,最终该有利等位基因得以在群体内扩散甚至被固定。但遗憾的是,目前关于mRNA二级结构是否受到正选择,以及正选择的样式、基因组的分布情况、选择强度等问题,仍然没有得到明确的认知。本研究通过对128个酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)群体的全基因进行多序列比对,得到了大规模同义位点的单核苷酸多态性,并且结合实验测定的mRNA二级结构的数据,构建了经典群体遗传学方法中的非折叠位点频谱来检验其受到的选择作用,再通过泊松随机场模型定量描述选择的类型和强度。相比于其他的特异位点检验模型,例如dn/ds,此群体遗传分析方法可以在全基因组范围内检验群体受到的自然选择作用,并且可以专门检测非翻译区或者是同义位点。为了排除测序错误或祖先误判等影响,本研究亦另外构建了多组酵母群体全基因比对进行辅助验证。结果显示,mRNA二级结构受到了广泛的正选择作用,其选择的样式是在mRNA(尤其是编码区)的茎中保留更多的GC核苷酸,并极大地受到mRNA茎长度的影响。在无密码子偏好的同义位点上,该正选择依然存在。此外,本研究发现,经历该适应性演化的位点广泛存在于酵母的基因组中,特别是与线粒体活动相关的基因,推测这可能是酵母在驯化过程中为了适应从野生到人工环境的剧烈变化,对细胞呼吸与酒精发酵进行平衡的精细调节的结果。本研究不仅极大地补充了非蛋白质水平的翻译调节的演化证据,也为人们理解人工驯化这一现象提供了新的视角。
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