马铁菊头蝠冬眠相关基因表达及适应性进化研究
本文关键词：马铁菊头蝠冬眠相关基因表达及适应性进化研究 出处：《东北师范大学》2016年博士论文 论文类型：学位论文
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【摘要】：冬眠是哺乳动物最引人注目的适应性表型之一。哺乳动物在冬眠期间会经历诸多的生理变化,而其中最显著的是代谢变化,具体表现为冬眠期间代谢普遍受到抑制,而能量代谢的主要方式也由糖类代谢转变为脂类代谢。研究表明冬眠期间的各种生理变化是现有基因差异表达的结果,比如有关地松鼠和熊的研究表明很多和代谢相关的基因在冬眠期间发生了差异表达,尤其是参与糖代谢的基因和参与脂肪β氧化的基因,前者在冬眠期间表达下调,而后者则恰恰相反。蝙蝠是唯一真正会飞的哺乳动物,活动状态下的高能耗,使得冬眠成为了其冬季生存的最佳策略。然而,对于这样一个特殊的冬眠物种,对于其冬眠过程中与代谢相关的基因表达变化模式仍缺乏相关研究。此外,作为阐释哺乳动物冬眠分子机制的另一重要方面,冬眠相关功能基因适应性进化研究的较少。其主要原因在于缺乏一对亲缘关系相近,而一个冬眠另一个不冬眠的理想对照研究系统。而马铁菊头蝠(Rhinolophus ferrumequinum)为此类研究带来了新的契机,该物种的东北地理种群具有严格的冬眠习性,而西南种群(如云南)则处于常年活动状态。本研究即选用马铁菊头蝠为研究对象,利用转录组测序技术对其冬眠类群活跃期和冬眠期的重要代谢调节器官—肝脏开展了比较转录组学研究,以期在转录组水平上揭示蝙蝠冬眠期间代谢相关基因的表达变化模式。此外,由于研究表明细胞增殖活动增强是冬眠动物应对冬眠期间细胞损伤及死亡的一种重要补偿机制,因此本研究针对一个调控细胞增殖的基因—ZBED1,利用荧光定量PCR及分子克隆测序技术,分别进行了冬眠期间基因表达变化,及其在马铁菊头蝠中的适应性进化研究,以期明确该基因在冬眠期间的表达变化模式,以及在马铁菊头蝠冬眠和非冬眠类群间是否发生了适应性进化分歧。通过研究,我们发现了 1358个基因在冬眠期和非冬眠期的肝脏之间发生了表达差异。其中大部分与代谢相关的基因冬眠期间表达下调,这些基因占了所有表达下调基因的近60%,而冬眠期间表达上调的代谢相关的基因在所有表达上调基因中所占比例仅1%左右;许多糖酵解过程的限速酶基因,如GCK、HK1、PFKFB3、KFKFB1、PYGM等在冬眠期间表达下调,而参与糖原合成和糖异生的基因,如GYS1、GYS2、G6PC等则表达上调;参与脂肪酸β氧化和脂肪酸运输的基因,如ACOT12、ACOX1、EHHADH、SLC27A6、FABP5、FABP1等在冬眠期间表达上调,而参与脂肪生物合成的基因,如AGPAT2、ACSF3等则表达下调;以上结果为冬眠期间代谢普遍受到抑制的现象及冬眠期间脂代谢取代糖代谢成为主要能量供应来源的生理变化提供了依据。此外,本研究还发现冬眠期间大量热激蛋白基因和胁迫响应相关基因,如HSPH1、DNAJB4、HSP90AA1、HSPA4L、HSPA8、HSPB7、HSPB1、HSP90B1、OXSR1 等表达上调,这为冬眠期间在各种胁迫,如热胁迫、氧化应激胁迫等存在的情况下的肝脏保护提供了分子依据。另外,免疫相关基因所富集的代谢通路占了所有冬眠期间上调基因所富集的代谢通路的近20%,暗示了冬眠期间马铁菊头蝠肝组织中免疫活动增强,也提示我们肝脏除了是一种重要的代谢调节器官外,也是一种十分重要的免疫器官。此外,通过对马铁菊头蝠冬眠类群冬眠前、冬眠期和冬眠后五种组织,80份样本进行ZBED1基因—调控细胞增殖的重要转录因子的表达变化研究,我们发现:该基因在心脏、肾脏、肝脏、脑和肌肉五种组织中,在冬眠期仅在脑组织和肌肉组织中表达显著上调(P0.05),暗示这两种组织在冬眠期间细胞增殖活动加强,而且细胞增殖活动的变化存在组织差异性,推测原因是这两种组织在冬眠期间承受着更大的损伤压力,细胞增殖活动增强的目的在于及时修复和补充受损细胞,使组织免于损伤:在五种组织中,不论哪个时期,该基因均在肌肉当中表达最强烈,暗示着细胞增殖活动在肌肉中最强。最后,通过对ZBED1基因在马铁菊头蝠中开展的适应性进化研究,我们发现来自13个种群,46只马铁菊头蝠的ZBED1基因序列可以划分为39个单倍型。这39个单倍型间有64个突变位点,其中有七个位点在冬眠类群(东北和中东种群)中一致,而与非冬眠类群不一致,暗示该基因在冬眠类群中发生了"趋同",并且在冬眠类群和非冬眠类群间发生了遗传分化。进一步系统发生分析也显示不同于之前基于线粒体基因的谱系分化格局,基于ZBED1基因序列建立的系统发生树,东北种群和中东种群聚为了一支,并具有较高的贝叶斯后验概率,达到1.0。此外.在正选择分析的"位点"模型中,该基因有多个氨基酸位点受到达尔文正选择:在"进化枝"模型中,该基因在东北、中东和西南三个谱系间,检测到了分歧选择压力,东北种群所在的进化枝的平均ω值为2.07667,中东种群所在的进化枝的平均ω值为1.07229,这说明东北种群可能受到较强的正选择作用,而中东种群受到较弱的正选择作用,而在西南种群中我们并没有检测到正选择信号。说明该基因在马铁菊头蝠冬眠类群和非冬眠类群间发生了适应性进化分歧。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q953
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，本文编号：1327364
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