反转座嵌合新基因Chi获得新功能的分子机制的研究

Chimerical retrogene has long been appreciated as an important source of new genes and new functions. However, the molecular underpinnings of how a chimerical retrogene both reserves the parental gene’s function and evolves with novel functions by integrating into existing pathways have remained largely unknown. Based on our previous research, in this project, we are going to perform a comprehensive bioinformatics and experimental analysis to investigate the differences between new chimeric retrogene Chi and its parent gene NAMPT in the ways of evolution, expression and in particular the biofunctions. A molecular evolutionary method is utilized to analyze the origination and the selective pressure of the Chi family. Combining in situ hybridization experiments and transcriptome data analysis, we are going to reveal different NAMPT and Chi expression patterns. Then by using cell transfection, morpholino-mediated knockdown, phenotypic analysis and signaling pathway analysis techniques, we attempt to detect similarities and differences between Chi and NAMPT in functions. This study will increase our understanding of the origin of new genes further in order to explore the molecular mechanisms by which new genes acquire new functions and species produce adaptive phenotypic changes.

反转座嵌合基因是新基因和新功能产生的一个重要的源泉。然而，在分子水平上，新基因是如何在保留父基因功能的同时，通过调整已有的信号通路获得新功能的具体分子机制却并不明了。本项目在前期研究的基础上，拟通过比较反转座嵌合新基因Chi和其父基因NAMPT在进化、表达和功能上的差异，揭示新基因获得新功能的分子机制。本项目拟从分子进化的角度解析新基因Chi的起源模式和受到的进化压力，结合胚胎原位杂交技术和转录组数据分析Chi和NAMPT在胚胎和成体中的表达差异，应用细胞转染、基因敲降、表型分析和信号通路分析等技术解析Chi与NAMPT的功能异同，揭示Chi与NAMPT 在NAD+限速酶功能上的变化，解析该基因通过调整已有的信号通路获得新的功能的分子机理。研究成果有助于拓展新基因的起源模式，为新基因进化出新功能提供一定的分子证据，有利于更进一步地了解物种产生适应性性状的分子机理。

反转座嵌合基因是新基因和新功能产生的一个重要的源泉。然而，在分子水平上，新基因是如何在保留父基因功能的同时，通过调整已有的信号通路获得新功能的具体机制以及对适应性进化的作用仍不清楚。本项目通过比较反转座嵌合新基因Chiron和其父基因NAMPT在进化、表达和功能上的差异，揭示新基因获得新功能的分子机制，并探讨了该基因在鱼丹亚科(Danioninae)鱼类适应性进化的遗传基础。.主要研究结果包括：.1. 首先，我们鉴定了一个新的反转座嵌合基因（chiron）家族。通过构建系统发育树，发现祖先Chiron基因起源于48-54百万年前，并且只发生在鱼丹 亚科中；并在1-4 百万年内，在斑马鱼中通过基因重复事件，形成了五个拷贝chiron1-5。.2. 运用选择压力分析，我们发现Chiron基因在形成时发生了快速进化，随后又受到了强烈的纯化作用，并且各个功能位点都很保守，可能保留着父基因NAMPT的基本功能。.3. 在胚胎发育早期，Chrion基因主要在脑部，眼，腹鳍，体节和肠中表达；在成体中，Chrion基因特异性地在精巢中表达。这种表达方式暗示了Chiron基因可能起源于睾丸并在胚胎发育中进化出更广泛的表达。.4. 此外，利用Morpholino介导的基因敲降和Crispr/Cas9敲除实验表明，Chiron基因在斑马鱼胚胎发育中起到必须基因的作用。.5. 细胞酶活实验证明了Chiron基因具有烟酰胺磷酸核糖基转移酶的功能，能够显著调节挽救途径中的细胞烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的水平。.6. 通过检验NAD+合成途径中其它基因受到的选择压力，发现在Chiron基因形成后，该途径的两个基因（nmnat1和naprt）在鱼丹 亚科中受到了正向选择作用，即Chiron基因系统性地驱动整个NAD+生物合成途径的共同进化。.总之，研究结果表明，反转座嵌合新基因Chiron受到快速进化和功能约束的共同作用，通过整合到NAD+挽救途径中，调节NAD+水平，并且驱动了NAD+生物合成途径中其它的基因的共同进化，从而参与表型和生理适应性进化。研究成果一方面有助于拓展新基因的起源模式，为新基因进化出新功能提供一定的分子证据；另一方面有利于更进一步地了解物种产生适应性性状的分子机理。