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两种广杆属线虫线粒体全基因组研究

杨双双  
【摘要】:线粒体基因与核基因组相比,具有拷贝数高、分子量小、结构保守、缺乏基因重组、进化速率快和母系遗传等特点。这使得线粒体基因组不仅成为研究系统发育的有力工具,也是唯一可以在基因组水平上进行研究的分子标记。自从Caenorhabditis elegans等9种广杆属线虫全基因组测序工作的完成,广杆属线虫不仅成为了最佳模式生物之一,同时也在比较基因组学和进化生物学等方面发挥着巨大作用。目前,对广杆属线虫线粒体基因组的研究很少,27余种的线虫群体中,仅有C. elegans和C. briggsae的线粒体全基因组以及C.sp.5的部分线粒体基因组被报道。为深入了解和分析广杆属线虫线粒体全基因组的特征,以及在线粒体基因组水平上重建属内系统发育关系,本研究采用Long PCR技术、常规PCR方法和保守引物步移法,对C. tropicalis n. sp和C. remanei的线粒体全基因组进行了测定,并通过参照C. elegans、C. briggsae和C.sp.5的线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)信息进行了线粒体全基因组的注释等相关研究。此外,根据这5种广杆属线虫的mtDNA信息,初步开展了广杆属线虫线粒体基因组的特征分析和系统发育关系的重建。具体研究结果如下:1. C. tropicalis n. sp和C. remanei线粒体全基因组C. tropicalis n. sp和C. remanei线粒体全基因组大小分别为13,874 bp和13,977bp,均包括12个蛋白编码基因(PCGs)、2个rRNA基因(rRNAs)、22个tRNA基因(tRNAs)、1个AT富含区,以及1个位于nad4和coxl之间的非编码区,所有基因均位于重链上;另外,在C. tropicalis n. sp的线粒体基因组中,trnR和trnQ之间还存在1个长130 bp的非编码区。C. tropicalis n. sp.和C. remanei的总(A+T)%分别为75.69%和77.46%,在碱基组成上表现出明显的AT偏倚性。在线粒体基因组的各组成部分中,AT富含区的(A+T)%最高;对PCGs编码区密码子各位点的碱基组成进行分析,发现在密码子第3位点处(A+T)%是最高的。在起始密码子的使用上,ATT和TTG均可作为2种广杆属线虫线粒体基因组PCGs翻译的起始密码子,而在C. tropicalis n. sp中还使用了ATA;在终止密码子的使用上,使用最多的是TAA,其次为TAG。另外,在PCGs编码区的密码子使用上,NNU和NNA密码子的使用频率都相当高,其中UUU(F)、UUA(L)和AUU(I)是使用频率最高的3种密码子。线粒体基因组中22个tRNAs的二级结构均不是标准的三叶草结构。2种trnS缺乏DHU臂;而其余20种tRNA,缺乏TΨC臂和可变环。在tRNA的二级结构中还存在着碱基错配,其中以G-U错配为主。在C. tropicalis n. sp和C. remanei线粒体基因组中AT富含区分别长410 bp和655bp,分别是目前已知mtDNA信息的5种广杆属线虫中AT富含区最短的和最长的。它们都由AT二核苷酸重复序列、正向重复序列和反向重复序列构成,但是重复序列的长度和拷贝数在两物种间均不相同。两种线虫位于nad4与coxl之间的非编码区在二级结构上均由3个茎环组成,在某些环上存在着多聚T。2.5种广杆属线虫线粒体基因组的比较5种广杆属线虫线粒体基因组具有如下特征:(1)线粒体基因组全长13,874-14,420 bp; (2) PCGs的核苷酸位点变异率远大于rRNAs;(3)在12个PCGs中,nad6和nad3是最可变的蛋白编码基因,cox1、cox2和cox3是最为保守蛋白编码基因;(4)12个PCGs在进化过程中均受到强烈的负选择作用;(5)AT富含区长410-655 bp,在核酸序列组成上均包含AT二核苷酸重复序列、正向重复序列和反向重复序列,这种在长度上的差异是导致线虫线粒体基因组大小不同的原因之一;(6)位于nad4和coxl之间的非编码区,均能形成具有3个茎环的二级结构,且在某些环上存在多聚T;(7)在C. briggsae、C. sp.5和C. tropicalis n. sp中还存在一个较长的非编码区,而在C. elegans和C. remanei中则未发现,这种非编码区的存在也是造成广杆属线虫线粒体基因组大小不同的原因之一。3.基于1ntDNA的系统发育关系利用5种广杆属线虫mtDNA信息重建了属内的系统发育关系,结果显示:基于PCGs氨基酸序列的NJ树、ML树和BI树,均能有效地揭示广杆属线虫的系统发育关系,其结果与之前在形态学和分子生物学方面的研究结果完全一致。以上研究结果的获得,不仅丰富了广杆属线虫线粒体全基因组数据,为种类繁多的广杆属线虫的鉴定工作提供了新的方法,而且作为模式生物也为其它线虫线粒体基因组学研究的开展提供了重要的参考资料。


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