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鲸类味觉的丢失及鲸类适应性进化的比较基因组学分析

朱康丽  
【摘要】:人类可以感知5种基本的味觉,即酸、甜、苦、咸和鲜,这5种味觉在哺乳动物的生理和生态适应过程中发挥重要作用。在陆生哺乳动物中,这些味觉受体基因的分子遗传学研究已经较为广泛,然而在海洋哺乳动物中相应的研究却较为稀缺。本研究在代表性的鲸类物种中调查了5种味觉感知相关的受体基因。通过对这些味觉受体基因的序列比对,我们在编码酸、甜、鲜和苦味的受体基因上检测到了移码和/或提前终止密码子突变,通过把第一位提前终止密码子标注到假基因的蛋白二级结构上,我们发现这些突变均导致了蛋白二级结构的缩短,从而导致其丧失了原有的功能。进一步的选择压力分析表明编码酸、甜和鲜味的受体基因上的选择压力并未完全放松,提示它们的假基因化可能是近期事件,而苦味受体所受到的选择压力几乎完全放松,表明它们的假基因化可能发生的较早。编码咸味受体的3个基因在鲸类中仍然是完整的,我们推测这可能和咸味受体在肾脏、肺、皮肤等处的钠离子吸收功能相关,至于鲸类是否保留有咸味感知能力仍有待于进一步研究。为了进一步了解鲸类对全水生环境的适应,我们利用已发表的鲸类基因组(白鱀豚和小须鲸)并重测了3个瓶鼻海豚进行了种间和种内的比较基因组学分析。基于白鱀豚、小须鲸、牛、狗、人和小鼠的单拷贝直系同源基因,我们利用PAML正选择分析揭示了在鲸类起源及其随后的分化过程中,它们的先天性免疫系统出现了普遍的适应性进化。正选择分析还进一步揭示了和脂肪酸转运、活化以及三酰甘油合成相关的基因在白鱀豚和小须鲸中均是受到正选择的,这和它们拥有厚厚的鲸脂也是一致的。此外,涉及到渗透调节、骨密度调控和低氧耐受的基因在鲸类中也是受到正选择的,这和它们需要应对截然不同的渗透压、快速游泳和潜水等行为是息息相关的。为了进一步挖掘鲸类对咸淡水的适应,我们利用海洋鲸类(小须鲸和瓶鼻海豚)和淡水鲸类(白鱀豚)的重测序数据筛选单核苷酸多态性位点,并用PROVEAN软件评估这些氨基酸替换对蛋白功能的影响。PROVEAN分析进一步揭示了咸水和淡水鲸类中拥有种间核苷酸差异的基因涉及到嗅觉和视觉系统、DNA损伤修复和色素沉着等。基于MSMC的种群动态分析也表明白鱀豚的功能性灭绝可能是栖息地的破坏和极端的人类活动造成的,这与之前的白鱀豚基因组分析结果也是一致的。


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