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首个“现代蛙类”—高山倭蛙基因组破译
日期:2015-03-04 |来源:昆明动物研究所 |作者:孙艳波 | 【 【打印】【关闭】浏览次数:

  作为脊椎动物的一个重要分支,两栖动物目前已知包括7000多个物种,代表着脊椎动物从水生到陆生这一伟大转变的过渡类群,在研究脊椎动物的进化模式及其背后的分子机制中处于关键位置。随着基因组测序、组装、及注释技术的不断发展和提高,通过破译物种的基因组信息,并通过一系列基因组的比较分析已经成为目前研究基因组的进化模式的较普遍的研究思路。然而对于两栖动物这一重要的生物类群,目前仅有热带爪蟾(Xenopus tropicalis)一个物种的基因组被测定。爪蟾属于古老蛙类Archaeobatrachia)的一种,而目前95%以上的蛙类属于现代蛙类Neobatrachia),这在一定程度上限制了我们对两栖动物基因组特性的认识。另外,热带爪蟾为高度特化种,其已从水陆两栖的祖先状态演变成一个完全水生的物种(若离开水,几分钟便会死亡),这种生活史的转变体现在爪蟾的一些表型上,如吞咽方式的改变导致爪蟾的舌头完全退化,运动方式的改变导致其前肢较小,后肢粗壮而利于游泳等,说明热带爪蟾并不能充分地代表两栖动物。测定现代蛙类基因组具有重要的意义。 

  中国科学院昆明动物研究所张亚平院士以及车静研究员课题组与华大基因国家基因库及德克萨斯大学奥斯汀分校等单位合作,成功破译了首个现代蛙类”—高山倭蛙(Nanorana parkeri)的基因组。高山倭蛙系青藏高原的土著物种,同时也是青藏高原上的绝对优势种,因此,该基因组的破译同时也为研究两栖类物种的高原适应奠定了基础。昆明动物所的孙艳波博士与国家基因库的熊子军和向薛雁等研究人员共同合作完成高山蛙的样品收集、测序组装注释,以及后续的比较基因组学分析。通过比较高山倭蛙和热带爪蟾二者的基因组,他们发现前者拥有更大的基因组(genome size ≈ 2.3Gb),且这种基因组大小上的差异主要归因于两者基因组中转座元件的含量不同。进一步的研究发现,高山倭蛙的转座元件主要以长末端重复序列(LTRsLong terminal repeats)为主,而爪蟾则是以DNA转座子(transposons)为主。相对于爪蟾,高山倭蛙中的LTR具有更高的保守性。然而,LTR在高山倭蛙中出现的时间要显著早于爪蟾,说明LTR在高山倭蛙中可能经历了更强的选择压力,提示其可能具有某种潜在的生物学功能。 

  研究人员还估算了高山倭蛙和热带爪蟾的分歧时间大概在266百万年前,比TimeTree项目中记录的时间早了4千万年。尽管两者分歧时间很久,但是两物种染色体间的重排特别少,说明蛙类基因组可能具有相对较慢的进化速率。这一猜想在染色体内部重排速率、基因区及全基因组的替换速率等多个层面都得到证实,即两栖动物,甚至整个冷血动物,具有比恒温动物更低的进化速率。 

  此外,高山倭蛙基因组的破译,使我们进一步确认了更多的人类、鸟类、甚至蛙类基因组中的染色体断裂和融合区域,同时也鉴定了两栖动物中高度保守的区域,为后续的两栖动物比较基因组学提供了良好的研究基础。尽管四足动物有3.6亿年的进化史,在人的染色体中仍然可以看到较长的祖先序列被完整地保留下来。通过分析染色体断裂,融合事件,发现人的染色体间重排最剧烈,鸡和两栖动物染色体间重排相对较少。最后,该研究还发现了高山倭蛙特有的三类抗菌肽(AP01357AP00097和AP01583),其中AP01583已被证实在氧化应激和应对病原微生物方面具有重要作用,提示这些特有抗菌肽的存在可能在高山倭蛙适应高海拔环境中起一定保护作用。该工作得到了中国科学院先导专项(B)、国家自然科学基金等的支持。 

  该研究结果近期发表在著名刊物PNAS上(http://www.pnas.org/content/early/2015/02/23/1501764112.abstract)。 

 

  

  

  

  

  

 

  

  

  

  

 
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