發(fā)布時(shí)間：2017-06-18 11:02

  本文關(guān)鍵詞：扇貝眼睛發(fā)生和視覺(jué)功能遺傳基礎(chǔ)的基因組學(xué)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：眼睛是機(jī)體最重要的感光器官,曾被達(dá)爾文稱(chēng)作進(jìn)化中“極端完美的器官”,自然界中眼睛的形態(tài)和種類(lèi)多種多樣,眼睛的起源進(jìn)化問(wèn)題一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。對(duì)頭部的眼睛起源進(jìn)化的分子生物學(xué)分析發(fā)現(xiàn),雙側(cè)對(duì)稱(chēng)生物頭部眼的發(fā)生是由一個(gè)共同的主導(dǎo)基因pax6控制的。然而近期對(duì)文昌魚(yú)和沙蠶的研究表明非頭部眼的發(fā)育并不依賴(lài)pax6。扇貝沒(méi)有特化的頭部,其眼睛分布在外套膜上,屬于非頭部眼；扇貝眼睛是鏡面反射眼,是眼睛進(jìn)化中的一種獨(dú)特的形式；其眼睛中有雙層的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu),分別由脊椎動(dòng)物型的睫纖毛感光細(xì)胞和無(wú)脊椎動(dòng)物型的微絨毛感光細(xì)胞組成的,對(duì)應(yīng)兩層視網(wǎng)膜的光傳導(dǎo)信號(hào)機(jī)制的分子組成的了解還有很欠缺。因此,扇貝是眼睛發(fā)育和進(jìn)化研究的良好材料,對(duì)扇貝眼睛的分子生物學(xué)研究有助于我們了解非頭部眼的起源進(jìn)化問(wèn)題及眼睛視覺(jué)形成的遺傳基礎(chǔ)。本研究以蝦夷扇貝(Patinopecten yessoensis, Jay 1857)為研究材料,對(duì)其眼睛進(jìn)行了RNA-Seq轉(zhuǎn)錄組測(cè)序,共獲得了825條在眼睛中顯著上調(diào)的基因,這些基因?yàn)樯蓉愌劬δ艿难芯刻峁┝素S富的候選資源。差異基因的富集分析發(fā)現(xiàn)扇貝眼睛中富集G蛋白偶聯(lián)受體信號(hào)通路,并且還富集了大量G蛋白偶聯(lián)受體,推測(cè)這些G蛋白偶聯(lián)受體應(yīng)該是與感知光線相關(guān)的,扇貝基因組中可能有不同種類(lèi)和拷貝數(shù)的視蛋白基因。眼睛轉(zhuǎn)錄組測(cè)序還提供了扇貝眼睛發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子信息,otx和eyg在眼睛中顯著上調(diào)。但雙側(cè)對(duì)稱(chēng)生物眼睛發(fā)育的主導(dǎo)調(diào)控基因pax6在蝦夷扇貝眼睛和外套膜中不表達(dá),暗示了pax6在扇貝的眼睛發(fā)育中可能發(fā)揮不同的作用。對(duì)蝦夷扇貝基因組的視蛋白基因的篩查結(jié)果表明,蝦夷扇貝的視蛋白包括4個(gè)r-opsin、1個(gè)r-opsin like、 2個(gè)c-opsin、2個(gè)Go-opsin和1個(gè)peropsin,其中r-opsin出現(xiàn)顯著的基因擴(kuò)張現(xiàn)象。在扇貝、牡蠣(Crassostrea gigas)和帽貝(Lottia gigantea)基因組內(nèi)均發(fā)現(xiàn)r-opsin like視蛋白,推測(cè)是r-opsin的另一個(gè)新的分支。不同的視蛋白亞家族在基因結(jié)構(gòu)上仍保持一定的保守性,蝦夷扇貝擴(kuò)張的r-opsin基因沒(méi)有內(nèi)含子,是通過(guò)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座而產(chǎn)生的基因加倍。蝦夷扇貝光傳導(dǎo)通路呈現(xiàn)出極高的多樣性,不僅Go-opsin和r-opsin偶聯(lián)的光傳導(dǎo)通路基因在眼睛中被激活,c-opsin及其偶聯(lián)的Gi/t-PDE及Gs-AC光傳導(dǎo)通路在眼睛中也有激活的趨勢(shì),推測(cè)可能也參與扇貝的視覺(jué)功能。蝦夷扇貝基因組內(nèi)存在較為完整且保守的雙側(cè)對(duì)稱(chēng)動(dòng)物的眼睛相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子基因集,包括pax家族、otx. mitf、rx、 six家族、dac和otd基因。但這些基因的表達(dá)模式與以往認(rèn)識(shí)的雙側(cè)對(duì)稱(chēng)生物眼睛發(fā)育模式存在差異。pax6及其下游作用的six 1/2. six3/6、 eya和dac/dach(視網(wǎng)膜決定基因網(wǎng)絡(luò))基因在眼睛中不表達(dá)或下調(diào)表達(dá),暗示扇貝眼睛的發(fā)育是pax6非依賴(lài)的模式。與之相反,pax2/5/8和six4/5在扇貝眼睛中卻出現(xiàn)上調(diào)。本研究中還構(gòu)建了蝦夷扇貝眼睛的基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)(WGCNA),共得到了13個(gè)基因模塊中,其中一個(gè)模塊顯著富集了眼睛高表達(dá)基因。在這個(gè)模塊中,找到了5個(gè)眼睛相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子pax2/5/8、 six4/5、brn3、 ovo和lmx 1,并且pax2/5/8、 brn3和lmx1是這個(gè)模塊前1%的hub基因�；虮磉_(dá)網(wǎng)絡(luò)確證了pax2/5/8在扇貝眼睛發(fā)育中的重要作用,并找到了pax2/5/8、six4/5共表達(dá)模式,另外,還發(fā)現(xiàn)了3個(gè)與扇貝眼睛發(fā)育相關(guān)的重要轉(zhuǎn)錄因子ovo和lmx1。綜上所述,本研究通過(guò)轉(zhuǎn)錄組和基因組的分析,闡明了扇貝眼睛視覺(jué)傳導(dǎo)通路的基本組成,揭示了扇貝視覺(jué)功能的遺傳機(jī)制,通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子和表達(dá)網(wǎng)絡(luò)研究,發(fā)現(xiàn)了扇貝眼睛的發(fā)育與以往認(rèn)知的pax6依賴(lài)型模式不同,是由pax2/5/8主導(dǎo)的,這種發(fā)育模式可能是一種原始的、非頭部眼共有的發(fā)育模式。本研究在基因組層面,對(duì)扇貝眼睛發(fā)生和視覺(jué)功能的遺傳基礎(chǔ)進(jìn)行了全面深入的解析,豐富了對(duì)扇貝鏡眼在分子生物學(xué)領(lǐng)域的認(rèn)識(shí),同時(shí),也為眼睛起源進(jìn)化的重要生物學(xué)問(wèn)題提出了新的證據(jù)和思路。
【關(guān)鍵詞】：蝦夷扇貝 眼睛 轉(zhuǎn)錄組 視蛋白 光傳導(dǎo)通路 轉(zhuǎn)錄因子 發(fā)育 基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：S917.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 前言14-45
• 第一節(jié) 眼睛形態(tài)類(lèi)型和進(jìn)化14-21
• 1 自然界中眼睛的形態(tài)類(lèi)型14-19
• 1.1 總述14-15
• 1.2 眼睛的類(lèi)型15-19
• 1.2.1 杯狀眼(cup eye)15-16
• 1.2.2 小孔眼(pinhole eye)16
• 1.2.3 鏡眼(mirror eye)16-17
• 1.2.4 照相機(jī)眼/晶狀體眼(camera eye/lens eye)17-18
• 1.2.5 復(fù)眼(compound eye)18-19
• 2 眼睛的進(jìn)化19-21
• 第二節(jié) 眼睛發(fā)生的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子及其信號(hào)傳導(dǎo)通路21-29
• 1 眼睛發(fā)生的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子21-24
• 1.1 Orthodenticle-related homeobox(otx)21-22
• 1.2 Paired box(pax)22-23
• 1.3 Retinal homeobox(Rx)23-24
• 1.4 Microphthalmia-associated transcripion factor(mitf)24
• 2 視網(wǎng)膜決定基因網(wǎng)絡(luò)(retinal determination gene network,RDGN)24-29
• 2.1 視網(wǎng)膜決定基因網(wǎng)絡(luò)的主要成員24-28
• 2.1.1 Eyeless/PA X625-26
• 2.1.2 EYA26-27
• 2.1.3 SO/SIX27
• 2.1.4 DAC27-28
• 2.2 果蠅和脊椎動(dòng)物視網(wǎng)膜決定基因網(wǎng)絡(luò)的保守性28-29
• 第三節(jié) 光感受器及視蛋白的進(jìn)化29-40
• 1 光感受細(xì)胞類(lèi)型29-31
• 2 視蛋白的家族分類(lèi)和功能31-37
• 2.1 視蛋白總述31-33
• 2.2 視蛋白的分類(lèi)和功能33-37
• 2.2.1 Gq偶聯(lián)視蛋白/黑視蛋白亞家族35
• 2.2.2 Encephalopsin/tmt-opsin亞家族35
• 2.2.3 脊椎動(dòng)物視覺(jué)和非視覺(jué)視蛋白亞家族35-36
• 2.2.4 Go偶聯(lián)視蛋白亞家族36
• 2.2.5 視黃醛光異構(gòu)酶亞家族36-37
• 2.2.6 Peropsin亞家族37
• 2.2.7 Neuropsin亞家族37
• 3 光傳導(dǎo)信號(hào)通路37-40
• 第四節(jié) 扇貝眼睛的結(jié)構(gòu)特征和研究進(jìn)展40-45
• 1 扇貝眼睛的結(jié)構(gòu)和研究進(jìn)展40-43
• 1.1 扇貝眼睛的光學(xué)結(jié)構(gòu)特征40-41
• 1.2 扇貝雙層視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)及其光信號(hào)傳導(dǎo)途徑41-42
• 1.3 扇貝眼睛分子生物學(xué)研究進(jìn)展42-43
• 2 蝦夷扇貝眼睛研究的主要內(nèi)容和意義43-45
• 2.1 蝦夷扇貝的主要社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)價(jià)值43
• 2.2 扇貝在眼睛起源進(jìn)化和視覺(jué)功能中的研究?jī)r(jià)值43-44
• 2.3 蝦夷扇貝眼睛遺傳學(xué)研究中的組學(xué)資源44
• 2.4 本研究的主要內(nèi)容和目的44-45
• 第二章 蝦夷扇貝眼睛轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和差異基因分析45-57
• 1 材料與方法46-51
• 1.1 扇貝材料46
• 1.2 文庫(kù)構(gòu)建與測(cè)序46-50
• 1.2.1 總RNA的提取和質(zhì)量檢測(cè)46
• 1.2.2 mRNA的提取46-47
• 1.2.3 測(cè)序文庫(kù)的構(gòu)建47-50
• 1.2.4 測(cè)序50
• 1.3 RNASeq測(cè)序數(shù)據(jù)預(yù)處理和表達(dá)譜計(jì)算50
• 1.3.1 測(cè)序數(shù)據(jù)預(yù)處理50
• 1.3.2 表達(dá)譜計(jì)算50
• 1.4 差異基因分析50-51
• 1.4.1 眼睛特異表達(dá)基因的篩選50-51
• 1.4.2 基因功能富集分析51
• 2 結(jié)果與討論51-54
• 2.1 蝦夷扇貝眼睛RNA-Seq測(cè)序和表達(dá)譜數(shù)據(jù)的計(jì)算51-52
• 2.2 蝦夷扇貝眼睛表達(dá)譜相關(guān)性分析52-53
• 2.3 蝦夷扇貝眼睛差異基因的篩查和富集分析53-54
• 3 討論54-57
• 3.1 轉(zhuǎn)錄組測(cè)序?yàn)樯蓉愌劬δ苎芯刻峁┝素S富的資源54-55
• 3.2 眼睛中G蛋白偶聯(lián)受體信號(hào)通路的富集及意義55-56
• 3.3 眼睛中特異性表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子及其與眼睛發(fā)育的關(guān)系56-57
• 第三章 蝦夷扇貝視蛋白和視覺(jué)傳導(dǎo)基因的篩查和表達(dá)分析57-77
• 第一節(jié) 蝦夷扇貝視蛋白的系統(tǒng)發(fā)生和進(jìn)化分析58-74
• 1 材料方法58-59
• 1.1 蝦夷扇貝及其近源物種視蛋白的篩查58
• 1.2 視蛋白系統(tǒng)發(fā)生樹(shù)的構(gòu)建58-59
• 1.3 視蛋白基因結(jié)構(gòu)分析59
• 1.4 視蛋白基因表達(dá)分析59
• 1.5 視蛋白光譜轉(zhuǎn)化關(guān)鍵氨基酸的分析59
• 2 結(jié)果與分析59-70
• 2.1 蝦夷扇貝、牡蠣和帽貝視蛋白基因的篩查及系統(tǒng)發(fā)生分析59-66
• 2.2 蝦夷扇貝、牡蠣和帽貝視蛋白的基因結(jié)構(gòu)66-67
• 2.3 蝦夷扇貝視蛋白基因的表達(dá)67-69
• 2.4 蝦夷扇貝視蛋白光譜轉(zhuǎn)化關(guān)鍵氨基酸的變化69-70
• 3 討論70-74
• 3.1 視蛋白亞家族新分支——r-opsin like視蛋白序列的獲得及其系統(tǒng)發(fā)生地位70
• 3.2 蝦夷扇貝眼睛中表達(dá)的視蛋白的種類(lèi)及可能作用70-71
• 3.3 蝦夷扇貝視蛋白光譜變化特點(diǎn)及與環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)系71-74
• 第二節(jié) 蝦夷扇貝光傳導(dǎo)通路基因的篩查和表達(dá)分析74-77
• 1 材料方法74
• 1.1 蝦夷扇貝視覺(jué)傳導(dǎo)通路基因的篩查74
• 1.2 蝦夷扇貝視覺(jué)傳導(dǎo)通路基因表達(dá)量分析74
• 2 結(jié)果74-75
• 2.1 蝦夷扇貝光傳導(dǎo)通路基因的篩查74
• 2.2 蝦夷扇貝眼睛光傳導(dǎo)通路的表達(dá)74-75
• 3 討論75-77
• 第四章 蝦夷扇貝眼睛發(fā)生相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子及其表達(dá)分析77-93
• 1 材料方法77-78
• 1.1 眼睛發(fā)生相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的篩查77-78
• 1.2 轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)分析78
• 2 結(jié)果與分析78-91
• 2.1 蝦夷扇貝Pax家族基因篩查及系統(tǒng)發(fā)生分析78-82
• 2.2 蝦夷扇貝Otx基因篩查及系統(tǒng)發(fā)生分析82-84
• 2.3 蝦夷扇貝Rx基因篩查及系統(tǒng)發(fā)生分析84-85
• 2.4 蝦夷扇貝Mitf基因篩查85-86
• 2.5 視網(wǎng)膜決定基因網(wǎng)絡(luò)基因的篩查86-89
• 2.5.1 蝦夷扇貝Six基因的篩查及系統(tǒng)發(fā)生分析86-88
• 2.5.2 蝦夷扇貝Eya基因篩查88-89
• 2.5.3 蝦夷扇貝Dac基因篩查89
• 2.6 眼睛相關(guān)基因的表達(dá)模式89-91
• 3 討論91-93
• 3.1 蝦夷扇貝眼睛發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子基因集的完整性91
• 3.2 轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)模式暗示的蝦夷扇貝眼睛發(fā)育的潛在機(jī)制91-93
• 第五章 蝦夷扇貝眼睛發(fā)生和功能的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究93-102
• 1 材料方法94-95
• 1.1 基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建94
• 1.2 眼睛和視覺(jué)相關(guān)的基因模塊鑒定和功能分析94-95
• 1.3 眼睛調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的可視化95
• 2 結(jié)果與分析95-99
• 2.1 蝦夷扇貝眼睛的基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建95-96
• 2.2 蝦夷扇貝眼睛功能相關(guān)基因模塊的鑒定96-98
• 2.3 眼睛相關(guān)基因網(wǎng)絡(luò)可視化98-99
• 3 討論99-102
• 3.1 基因網(wǎng)絡(luò)在解決模式生物和非模式生物復(fù)雜生物學(xué)問(wèn)題中的應(yīng)用與優(yōu)勢(shì)99-100
• 3.2 蝦夷扇貝眼睛模塊揭示扇貝眼睛發(fā)育相關(guān)的分子機(jī)制100-102
• 第六章 論文創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)102-106
• 1 扇貝眼睛視覺(jué)功能的遺傳基礎(chǔ)102-103
• 2 扇貝眼睛發(fā)生的遺傳基礎(chǔ)103-106
• 參考文獻(xiàn)106-122
• 附錄122-148
• 致謝148-149
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷149-150
• 發(fā)表的學(xué)術(shù)論文150

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