收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

昆虫基因组密码子使用及进化分析

孙铮  
【摘要】: 随着测序技术的不断发展,目前已经获得了大约20多种昆虫的全基因组和大约100多种昆虫的线粒体基因组序列。然而单纯获取全基因组序列已经不能满足科学研究的需求,要求研究人员对已知基因组序列进行深入分析和研究,进而挖掘其中隐含的生物学和物种进化信息。现在数据库中的基因序列呈指数级增加,相应的分析工具也是与日俱增,这为生物学工作者提供了极大的方便。 昆虫属于节肢动物门、六足总纲、昆虫纲,是地球上已知种群数目最多的一个类群。昆虫学的研究对于维持地球生态平衡、促进可持续发展、防治农业和林业病虫害具有极其重要的作用。在昆虫细胞内主要有两个基因组,核基因组和线粒体基因组。核基因组具有较多的非编码区、重复序列、内含子以及大量的重排现象,不同的物种间具有比较大的差异;线粒体基因组的组成则在同一个动物门中具有较高的保守性,一般情况下是一个双链闭合环状结构,它包含13个蛋白编码基因,2个核糖RNA(rRNA)的编码基因以及22个转运RNA(tRNA)的编码基因。此外,在大多数昆虫细胞内寄生着一种内共生菌Wolbachia,它是一种革兰氏阴性alpha-蛋白菌,它主要感染节肢动物和丝虫。它可以通过诱导孤雌生殖、雄性雌性化、杀雄以及精卵不相容等生殖操纵而改变寄主的生物学特性。 本研究将使用对应分析、卡方检验和似然比检验等生物信息学的方法来检测昆虫中所包含的核基因组、线粒体基因组和Wolbachia核基因组的密码子使用偏好性、密码子进化趋势以及各个基因组之间密码子使用的相关度。 线粒体基因所编码的蛋白对于维持生物体的生命活动具有重要意义。故本研究对昆虫线粒体基因组的密码子组成和tRNA分子的使用情况进行了统计分析。结果表明,在昆虫线粒体基因组中,有10种最优密码子与对应tRNA分子上的反密码子不能完全匹配。这一结果与哺乳动物、鱼类以及真菌的线粒体基因组中密码子使用情况是不同的。故推测昆虫线粒体基因组中的密码子使用没有受到tRNA丰度的影响,它们是独立于tRNA分子的丰度进化而来的,并且这种不匹配的现象在昆虫线粒体基因组中是普遍存在的,其机理还有待于进一步的研究。 线粒体基因所编码的蛋白不能单独起作用,它需要核基因所编码的蛋白共同组成细胞内电子传递链上的复合体来参与完成氧化磷酸化过程。氧化磷酸化过程是细胞中唯一一个同时有核基因和线粒体基因共同参与的过程,它们之间存在着协同进化关系。本研究以黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)为对象,探讨参与氧化磷酸化过程的核基因以及线粒体基因的密码子组成情况。研究结果显示黑腹果蝇氧化磷酸化系统中核基因的密码子组成主要受到翻译选择和基因组碱基组成的影响;而线粒体基因的密码子组成,通过对应分析并没有发现主要影响因素,可能和细胞器的起源有关,并不受到功能的限制。尽管黑腹果蝇氧化磷酸化系统中的核基因和线粒体基因具有相关的功能并且彼此之间是协同进化的,但它们具有明显不同的密码子使用模式,因此这种协同进化作用主要是通过基因所编码蛋白的三级结构体现出来的。通过统计检验表明,核基因和线粒体基因的密码子组成都受到了碱基关联突变(context-dependent mutation)的影响。 除核基因组和线粒体基因组之外,昆虫细胞内可能还包含胞内共生菌Wolbachia的基因组。由于Wolbachia的基因组和昆虫的线粒体基因组具有较高的相似度,如共同的祖先alpha-蛋白菌,以及母系遗传的特点,故可能从Wolbachia核基因组和昆虫线粒体基因组的密码子组成或基因组组成的方面来进一步寻找它们共同起源的证据。本研究以黑腹果蝇中的专性胞内寄生菌Wolbachia pipientis wMel为研究对象,分析表明Wolbachia pipientis wMel基因组具有较高的AT碱基含量,并且不管是高表达基因还是低表达基因都倾向于使用富含AT的密码子。Nc-plot结果显示基因组碱基组成可能是影响密码子组成的因素。对应分析显示基因组中的密码子组成还可能受到基因长度和基因表达水平的影响。Wolbachia pipientis wMel作为革兰氏阴性alpha蛋白菌,它的基因组与动物线粒体基因组具有的相似之处,如较高的AT碱基含量,可以进一步印证Wolbachia和线粒体之间的密切关系。 以上分析过程中,本研究选用了一个重要参数:CAI (codon adaptation index),该参数尽管存在一定的争议,却具有比较大的用途。在刚测出全序列的基因组中,有些基因的表达水平通过实验验证比较费时间,且成本比较高,那么就可以使用CAI值来估计一些未知基因的表达水平高低。CAI值我们称为密码子适应指数,它的变化范围位于0到1.0之间。它的值越高意味着具有较高的密码子偏好性,以及较高的表达水平。目前,有10条果蝇的全基因组被成功测序,为生物学研究提供了足够的数据支持。本研究下载了7种果蝇中与侵略性(Aggressive)相关的基因CYP6A20,通过比较这7种果蝇的CYP6A20基因的CAI值,本文对这7种果蝇的侵略性水平进行了推测。需要声明的是,由于缺少行为学的直接证据,且CAI值的计算也存在偏差,结果可能会出现误差,但是CAI值在后基因组时代的应用会越来越广泛。 基于密码子水平上的选择压力分析对于研究基因进化具有重要作用。本研究讨论了昆虫细胞色素氧化酶亚基I (COI)的适应性进化。昆虫作为地球上最大的一个类群,尽管同一个动物门中的线粒体基因组比较保守,但是它们在序列上还是有明显的不同。随着后基因组时代的到来,有越来越多的昆虫线粒体基因组被测序,这为研究昆虫中COI基因的系统进化提供了新的角度。通过对31条昆虫线粒体中蛋白编码基因COI的分析,表明COI基因受到了较强的净化选择压力。但是昆虫所面临的生存压力在不同的物种中是不同的,COI基因自身必须发生进化以适应各自的环境压力。通过PAML 4.0中的codeml程序以及三对模型进行选择压力分析,只在Model 7 Model 8的比较中,检测到了12个受到正选择压力的氨基酸位点,但只有第395个位点受到了显著的正选择压力,其余11个位点没有受到明显的正选择压力。这一结论和以前关于线粒体基因的进化特点是吻合的,从另一个角度也验证了线粒体基因的保守。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 崔萍,霍丽云;植物的线粒体基因组研究[J];山东轻工业学院学报;2000年01期
2 潘宝平,卜文俊;线粒体基因组的遗传与进化研究进展[J];生物学通报;2005年08期
3 付艳艳;顾为望;刘运忠;彭瑾瑜;常弘;;西藏小型猪线粒体D-loop区及微卫星多态性的遗传学分析[J];中国实验动物学报;2006年04期
4 田海峰;文建凡;;寄生原生动物线粒体与适应性进化[J];动物学研究;2010年01期
5 鲍智娟,刘宝;植物体细胞杂交与胞质基因组的研究[J];生物学通报;1996年08期
6 李耀东;邵嘉会;;线粒体基因组全序列研究与动物分子系统发生的关系[J];青海医学院学报;2006年01期
7 ;鸟类飞行能力退化可导致线粒体DNA选择性压力松懈[J];科学通报;2009年22期
8 徐其放,陈嘉昌,朱世杰,申煜,刘运忠,常弘;动物线粒体DNA的特异结构及应用分子系统学分析的方法[J];中国比较医学杂志;2005年05期
9 陈芳建;俞红;樊璠;吕建新;;线粒体基因组D-Loop区基因多态性与2型糖尿病的相关性[J];遗传;2009年03期
10 鲍海港;赵春江;李俊英;吴常信;;藏鸡和两种低地鸡线粒体全基因组序列的测定和比对[J];中国科学(C辑:生命科学);2007年06期
11 夏云;彭锐;郑渝池;曾晓茂;;两栖动物线粒体基因组tRNA基因重复、丢失及其影响[J];应用与环境生物学报;2010年06期
12 陈飞雄;申林娜;蒲军;徐蔚;;线粒体DNA编码蛋白质亚基的研究[J];中国医药指南;2011年01期
13 张芳琳,刘勇,白文涛,吴兴安,于澜,史梦远,胡刚,王海涛,徐志凯;汉坦病毒嵌合基因G2S0.7在昆虫细胞中融合表达产物的免疫学研究[J];生物技术通讯;2003年05期
14 张颖;聂刘旺;宋娇莲;;缅甸陆龟线粒体全基因组的测序及分析[J];动物学报;2007年01期
15 谭围;王中铎;郭昱嵩;刘楚吾;刘筠;;孟加拉笛鲷线粒体基因组序列结构及其进化[J];中国生物化学与分子生物学报;2009年03期
16 楚秀生;朱云祥;柴建华;粟翼玟;;水稻农虎26B保持系线粒体基因文库的构建[J];山东大学学报(理学版);1991年04期
17 沈惠,李昌麟,林明群,张宗梁,申庆祥;人白细胞介素12在昆虫细胞中的表达[J];生物工程学报;1998年04期
18 罗雯,徐志凯,张芳琳,阎岩,吴兴安,刘勇,白文涛,王海涛;汉滩病毒M、S基因不同拼接方式在昆虫细胞中融合表达效果比较[J];中国病毒学;2002年03期
19 邱平明,曹佐武,丰一兴;利用RT-PCR技术鉴定人ZP3嵌合肽基因在昆虫细胞中的表达[J];曲阜师范大学学报(自然科学版);2004年03期
20 邱红玉,胡志红,刘岚,吴东,王华林,邓菲,孙永玉;人巨细胞病毒pp65基因重组蛋白在昆虫细胞中的表达与分析[J];中华传染病杂志;2004年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 朱兴全;林瑞庆;李明伟;;寄生线虫线粒体基因组学的研究进展(英文)[A];全国寄生虫学与热带医学学术研讨会论文集[C];2008年
2 张磊;刘翠;陈伟洲;杜虹;刘涛;;龙须菜线粒体基因组研究[A];辽宁省气象局、丹东市气象局、中国海洋湖沼学会气象分会、中国海洋湖沼学会潮汐海平面专业委员会、中国海洋湖沼学会计算物理专业委员会、山东(暨青岛市)海洋湖沼学会2011年联合学术研讨会论文摘要集[C];2011年
3 陈哲;邓坤正;张加勇;;花龟、草龟物种杂交后代的线粒体基因组研究[A];第七届全国野生动物生态与资源保护学术研讨会论文摘要集[C];2011年
4 靖志强;张佑红;;重组杆状病毒感染悬浮昆虫细胞感染策略优化及放大试验[A];2009’环保农药新技术、新产品暨生物农药技术研讨会论文集[C];2009年
5 谢跃;张志和;王成东;兰景超;李岩;陈志港;付彦;聂华明;延宁;古小彬;王淑贤;彭雪蓉;杨光友;;大熊猫西氏贝蛔虫线粒体全基因组研究[A];四川省动物学会第九次会员代表大会暨第十届学术研讨会论文集[C];2011年
6 毕晓欣;靖美东;张莉;黄玲;;丹顶鹤线粒体基因组全序列分析[A];遗传学与社会可持续发展——2010中国青年遗传学家论坛论文摘要汇编[C];2010年
7 陈明;周永安;马云霞;苏丽萍;常杏红;王晓欢;张景萍;;急性白血病线粒体基因组D-loop区基因不稳定性研究[A];中华医学会第九次全国检验医学学术会议暨中国医院协会临床检验管理专业委员会第六届全国临床检验实验室管理学术会议论文汇编[C];2011年
8 徐晓东;吴相云;喻子牛;;真曲巴菲蛤(Paphia euglypta)线粒体基因组全序列测定及比较基因组学研究[A];中国动物学会、中国海洋湖沼学会贝类学会分会第十四次学会研讨会论文摘要汇编[C];2009年
9 叶林柏;郜金荣;;HCMVpol基因在昆虫细胞中表达、酶的纯化和生化性质[A];全国生物防治学术讨论会论文摘要集[C];1995年
10 万春和;;猪流感病毒神经氨酸酶基因(N1和N2)在昆虫细胞中的表达[A];第六届全国免疫学学术大会论文集[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 孙铮;昆虫基因组密码子使用及进化分析[D];山东农业大学;2009年
2 刘念;三种蝗虫线粒体基因组测序与直翅目比较线粒体基因组学分析[D];陕西师范大学;2011年
3 张静;海带线粒体及部分核基因组结构特征研究[D];中国海洋大学;2011年
4 陈海霞;细首科纽虫分子系统发育及三种纽虫线粒体基因组的研究[D];中国海洋大学;2009年
5 李东;蚕类基因组与线粒体组高精度遗传变异图谱的构建及其研究[D];西南大学;2011年
6 薛萍;角质细胞生长因子-1(KGF-1)在昆虫细胞中的表达及其活性研究[D];吉林农业大学;2012年
7 苏爱国;棉花线粒体基因组的测序和序列初步分析[D];中国农业大学;2013年
8 张娟;单殖吸虫线粒体基因组进化生物学研究[D];中山大学;2011年
9 杨劲树;海底热液口甲壳类线粒体基因组及罗氏沼虾生物钟基因的分子解析与进化分析[D];浙江大学;2008年
10 刘立颖;人偏肺病毒结构蛋白N、F在三种不同系统中的表达[D];中国协和医科大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 谢跃;四种蛔科贝蛔属线虫线粒体基因组全序列的测定与分析[D];四川农业大学;2012年
2 王衍坤;一个大豆品种资源线粒体基因组的研究[D];南京农业大学;2012年
3 孔令明;海南坡鹿线粒体基因组特征及在鹿科动物系统演化过程中的地位[D];山东大学;2010年
4 刘昆;草菇线粒体基因组的研究[D];福建农林大学;2010年
5 查云峰;猪瘟病毒结构和非结构蛋白的表达及反应原性研究[D];吉林大学;2005年
6 辜吉秀;猪圆环病毒2型ORF2的序列分析及在昆虫细胞中的表达[D];甘肃农业大学;2008年
7 郭文英;蚜虫代表物种的线粒体基因组研究[D];东北师范大学;2011年
8 王晓明;海南兔的线粒体基因组结构特征与系统演化初探[D];山东大学;2012年
9 丁波洋;筱翅无声蝗(Asonus brachypterus)线粒体基因组测定与分析[D];河北大学;2013年
10 胡锦松;丙型肝炎病毒环介导等温扩增检测方法的建立和密码子使用特性分析[D];四川农业大学;2012年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 麻建丽;像体检一样检测基因[N];温州日报;2008年
2 记者 马波;线粒体基因组的选择压力与动物运动能力相关[N];科技日报;2009年
3 本报记者 伍平;昆明动物所:线粒体基因组的选择压力决定动物运动能力[N];云南科技报;2009年
4 记者 施艳燕;治病像换轮胎一样简单[N];苏州日报;2011年
5 俞欣 陈茂樑;SARS免疫荧光检测法建立[N];健康报;2006年
6 王瑞;G蛋白偶联受体的高分辨结构 Towards High Resolution Structures of G-proteinCoupledReceptors[N];中国医药报;2006年
7 实习生 周英;登尼索哇人,第三种“古人类”?[N];科技日报;2011年
8 ;郑家奎[N];农资导报;2004年
9 记者 任海军;美国公司生产出首批甲感疫苗[N];人民日报;2009年
10 ;20%斑蛾清微乳剂[N];瓜果蔬菜报.农业信息周刊;2005年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978