【摘要】：豬基因組演化過程中,會持續(xù)產(chǎn)生新的功能遺傳信息,主要包括新基因和新功能突變基因。挖掘這些新的遺傳信息有助于找到具有潛在育種價值的優(yōu)良基因。目前模式生物中的大量研究,均發(fā)現(xiàn)新基因與雄性生殖功能、生長發(fā)育及免疫功能等活動直接相關,因此豬基因組中的新基因值得深入挖掘和解析。大量豬和其它馴化物種的研究證明,兩種主要的選擇因素(人工定向選擇或自然凈化選擇放松)會在馴化后作用于功能突變增加的基因(即新功能突變基因),進而產(chǎn)生新的表型變異。但是一些重要的問題依然有待解決:1)馴化后功能突變增加是否具有物種內(nèi)和物種間的普遍性;2)人工定向選擇和自然凈化選擇放松,哪一個因素主要驅(qū)動了豬基因組功能突變的增加;3)在不同的選擇壓力驅(qū)動下,新功能突變基因在組織表達模式、功能重要性方面的異同點。為了挖掘豬基因組新信息,本研究首先采用了模式生物中新基因鑒定的方法,利用具有高質(zhì)量注釋信息的外群物種,對豬基因組演化過程中的新基因進行了挖掘和分析;然后進一步鑒定了豬馴化后的差異演化基因,對其中的新功能突變基因進行了重點分析,同時利用其他8個馴化動物基因組數(shù)據(jù)進行了方法學上的驗證以及結果的比較分析。本研究的主要結果如下:1)總共鑒定了1065個豬基因新基因,起源速率為21/百萬年,該速率與靈長類的新基因起源速率近似。其中39%的新基因驅(qū)動了豬嗅覺受體基因家族的近期擴張,表明新基因驅(qū)動了基因組的持續(xù)更新,同時功能注釋表明新基因與豬化學信號識別、生長發(fā)育、免疫抗性和繁殖活動等生理活動密切相關;野豬基因組de novo組裝發(fā)現(xiàn),馴化過程可能沒有產(chǎn)生家豬特異性和獨有的新基因。2)以RNA起源新基因作為重點,本研究總共鑒定了94個反式RNA起源新基因和36個順式RNA起源新基因,表明逆轉(zhuǎn)錄反轉(zhuǎn)座事件是豬基因組更新的重要方式。新基因及其母基因的 基因穿梭‖分析發(fā)現(xiàn),X染色體過量地產(chǎn)生和接受了反式RNA起源新基因,過剩率分別為530%和506%;同時X染色體也是順式RNA起源新基因的生產(chǎn)和富集中心,過剩率分別為579%和719%。3)芯片及RNAseq組織表達數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),50%的RNA起源新基因存在睪丸偏好表達,75%的X染色體產(chǎn)生的反式RNA起源新基因在睪丸中的表達量比母基因的睪丸表達量高,說明X染色體產(chǎn)生新基因的機制可能跟母基因雄性X染色體減數(shù)分裂失活(MSCI)的補償有關。另外,睪丸和肌肉的RNA起源新基因表達量呈線性相關(r~2=82.1%,p0.001),表明RNA起源新基因在豬的肌肉生長和雄性繁殖方面具有基因多效應。4)順式RNA起源新基因的基因家族分析以及組織表達分析發(fā)現(xiàn),71.4%的X起源的順式RNA起源新基因在睪丸組織中有最高表達,說明X染色體的順式RNA起源新基因也具有重要的雄性生殖功能。X染色體富集了8個順式RNA起源新基因的串聯(lián)重復基因家族,這些基因家族呈現(xiàn)睪丸特異性高表達模式。這一結果與小鼠中精子發(fā)育必需的基因在X染色體擴增的發(fā)現(xiàn)類似。由于MSCI的影響,這些基因的高表達說明他們可能與減數(shù)分裂后期的精子成熟有關。另外,至少有12個RNA起源新基因與精子發(fā)育及雄性繁殖活動有關。剩下的RNA起源新基因的注釋顯示,這些基因可能具有繁殖、肌肉發(fā)育、免疫抗性的生理重要性。5)馴化前后差異演化基因的Ka/Ks分析發(fā)現(xiàn),豬馴化后Ka/Ks增加,在其他5個中小型馴化物種中也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象,說明馴化過程增加了功能突變的比例。豬中鑒定了401個馴化前后的差異演化基因,其中新功能突變基因(295個)的比例為74%,其他中小型馴化物種中該比例均高于50%,說明馴化過程導致了新功能突變基因數(shù)量的上升。分析豬中295個新功能突變基因受到的選擇壓力類型發(fā)現(xiàn),受到人工定向選擇影響的基因占據(jù)68%(202個)。在其他7個馴化動物中,人工定向選擇影響的新功能突變基因的比例都高于50%,說明新功能突變基因受到的選擇力量主要是人工定向選擇,而不是自然凈化選擇放松。6)利用214個野豬和家豬的群體重測序數(shù)據(jù)、12個新測樣品以及5個外群物種的基因組數(shù)據(jù),驗證了家豬新功能突變比例高于野豬的結果。另外,分析發(fā)現(xiàn)歐洲野豬的新功能突變的比例高于亞洲野豬;通過計算有效群體大小發(fā)現(xiàn)這一結果可能與歐洲野豬有效群體大小較低造成的自然凈化選擇效率降低有關。7)豬和其他物種的差異演化基因比較發(fā)現(xiàn),有8個基因在至少兩個物種中共享,這些基因的功能可能與馴化過程中的共同生理活動有關,例如神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育活動、雌雄生殖活動、營養(yǎng)物質(zhì)代謝與合成、生長和免疫抗性等。8)新功能突變基因在27個組織的RNAseq表達分析結果表明,與受到自然凈化選擇放松作用的基因相比,人工定向選擇影響的基因的組織表達豐度更高,組織特異性更強,說明人工定向選擇所影響的新功能突變與馴化過程中對某些特定性狀的選育有關�；虮磉_數(shù)據(jù)顯示,自然凈化選擇放松作用的基因只有1個表現(xiàn)出組織特異性表達,但是至少90%以上(208/214)的人工定向選擇影響的基因存在組織偏好性表達。其中有16個人工定向選擇影響的基因在腦組織和內(nèi)分泌相關組織中主要表達。9)在8個馴化物種中Kr/Kc均大于1,說明極端功能突變的比例高于保守功能突變,同時Kr/Kc在馴化群體中比野生群體更高,表明馴化過程加速了極端功能突變的累積。8個物種的有效群體大小和極端功能突變累積效率之間存在顯著正相關,表明有效群體大小增加會促進了馴化過程人工定向選擇對功能突變的累積速度。這一結果與靈長類中物種間定向選擇效率差異的結果類似。10)新基因和差異演化基因的整合分析發(fā)現(xiàn),有8個新基因也屬于馴化前后的差異演化基因。注釋顯示這些新基因可能參與豬中重要的免疫抗性相關的生理活動�？傊�,本論文通過大量的基因組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),應用經(jīng)典的分析和計算方法,挖掘了豬物種新基因和新功能突變基因,這些新遺傳信息將有助于理解豬基因組演化,同時可能為豬育種應用提供參考。
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華中農(nóng)業(yè)大學 2019 屆博士研究生學位（畢業(yè)）論文ood score）的絕對值 2Δ = 2( 1 - l0) 符合以兩個模型參數(shù)個數(shù)差值為自由分布（Δ =| 1-np2|），并以此計算 p 值。異顯著（p < 0.05）的基因，本研究定義為差異演化基因，并計算馴化a/Ks（即 Dω）和野生群體的 Ka/Ks（即 Wω），然后通過 Dω/Wω來評估對馴化前的功能突變變化率（即累積速率）。于鑒定出來的差異演化基因，本研究根據(jù)圖 2.2.8 的規(guī)則，獲得了新功因（即功能突變增加的基因），同時鑒定了自然凈化選擇放松和人工定基因。

圖 2.3.1 利用豬的 7 個哺乳動物外群來鑒定新基因起源。藍色線為真獸亞綱動物祖先支系紅色線為真獸亞綱內(nèi)的動物。祖先支系上的數(shù)字分別為支系編號和起源的基因數(shù)量，演化分支內(nèi)的數(shù)字為分化時間，分化時間來自（dos Reis et al. 2012）Figure. 2.3.1. Using 7 outgroup species to identify the origination of pig genes. Blue lines arancestral branches of Eutherian species. Red are Eutherian species branches. The numberabove are branch number and gene numbers; the number within each node is the specificdivergence time from （dos Reis et al. 2012）.2.3.2 基因家族分析鑒定豬嗅覺受體家族新基因動物嗅覺受體基因與動物荷爾蒙分子識別、采食、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、繁殖性為和生育能力有密切關系（Yoon et al. 2005）。研究表明，豬嗅覺受體基因存近期顯著擴張，但是由于嗅覺受體基因數(shù)量龐雜、起源機制多樣，所以目前仍不知道嗅覺受體基因家族在豬基因組演化過程中是何時迅速擴張以及近期擴張基因比例。
【學位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S828
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本文編號：2653017