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脊椎动物Hoxall基因进化分析与研究

薛良义  
【摘要】:Hox基因具高度保守的180 bp的同源异型框(homeobox),它编码具螺旋—转角—螺旋结构的转录因子,能与特定区域的DNA结合,从而调节动物个体发育过程中体轴的形态建成。在动物进化过程中,形态特征的改变与控制发育的基因演化有关。Hoxa-11基因在鱼类鳍和四足动物肢发育过程中起着重要作用。因此,对Hoxa-11基因的研究不仅有利于我们了解动物个体发育过程中的遗传控制,也有助于我们从分子水平上解释脊椎动物从水生到陆生进化过程中鳍到肢的转变。 根据已报道的人和鼠的Hoxa-11基因序列,设计了简并引物,用PCR法扩增和克隆了斑马鱼、大黄鱼、花鲈、罗非鱼、红鳍东方鲀、乌鳢、矛尾鱼、热带爪蟾、绿背树蜥和家鸡等动物的Hoxa-11基因。克隆的基因与从GenBank中获取的人、小家鼠、黄牛、匙吻白鲟、角虎鲨Hoxa11基因及青鳉Hoxa11a基因进行比较分析,这些动物代表了有颌类的三个谱系:软骨鱼类谱系(角虎鲨)、辐鳍鱼类谱系(斑马鱼、大黄鱼、花鲈、罗非鱼、红鳍东方鲀、乌鳢、青鳉和匙吻白鲟)和肉鳍鱼类谱系(矛尾鱼、热带爪蟾、绿背树蜥、家鸡、人、小家鼠和黄牛)。无论在核苷酸水平还是在氨基酸水平,三个不同谱系动物间的Hoxa11基因都表现出了很高的相似性。 在核苷酸水平上,不但编码序列具有较高的保守性,而且内含子的5'端也是非常保守的。在内含子的5'端发现了两个高度保守的序列——进化印记(phylogenetic footprints),长度分别为35 bp和17 bp,35 bp的核苷酸片段能与HeLa细胞和鸡胚细胞抽提物中的蛋白结合,可能是一种调节元件。采用Tajima试验分析脊椎动物Hoxa11基因的核苷酸进化相对速率,结果表明Hoxa11基因编码序列的进化速率在角虎鲨谱系与匙吻白鲟谱系之间没有明显差异,而高等硬骨鱼类谱系的进化速率明显高于角虎鲨谱系和匙吻白鲟谱系;在高等硬骨鱼类之中斑马鱼谱系的进化速率不同于其它鱼类谱系,存在明显加速现象。且发现在硬骨鱼类,基因进化速率的差异是基因特异的,而非谱系特异的。高等硬骨鱼类高的进化速率可能与进化过程中硬骨鱼类Hox基因簇经历一次额外的复制有关。内含子序列的进化速率在不同的谱系之间存在差异,在硬骨鱼类谱系和哺乳动物谱系,Hoxa11基因的内含子与外显子组成了一个共进化单位(co-evolutionary unit);而在绿背树蜥谱系和热带爪蟾谱系,Hoxa11


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