突变和选择压力在果蝇新复制基因起源中的作用机制解析

Mounting evidences demonstrate the prevalence of gene copy number gain or new duplicated genes, which often play significant adaptive functions such as stress or anti-pathogen response and digestion of new food. Thus, origination of new duplicated genes is one type of important internal genomic evolutionary force for species to adapt to the changing environment. However, limited by the data, most previous studies were performed under the framework of comparative genomics and focusing on ancient duplicated genes. The mutational mechanism and evolutionary forces driving the initial duplication events remain obscure. Herein, we propose to take micro-evolutionary approach, identify and de-novo assemble polymorphic duplicates by mining the Drosophila population genomic data. Then, we will perform analyses from three levels including mutational characterization, selection force inference and interaction of mutation and selection: 1) to describe the possible mechanistic bias associated with each mutational mechanism regarding parental gene choice, child gene insertion site distribution and so on; 2) to infer the underlying selection forces acting on each duplicate by analyzing the sequence polymorphism, expression pattern and phenotypic association, and to classify the derived copy into the adaptive neofunctionalization model or neutral subfunctionalization model; 3) to examine whether mutational bias will shape adaptive fate by combining the results from 1) and 2). By such integrative analyses of bioinformatics, evolutionary genomics and functional genomics, we could describe the mechanistic features on how gene copy gain or new duplicated genes occur, which is an important internal force of genomic evolution. Moreover, we will uncover how mechanistic bias as an internal rule constrains the adaptive evolution.

大量研究显示基因倍性增加即新复制基因高频发生，这些基因参与抵抗逆境和新病原物、消化新食物等多种功能，对适应性进化有重要意义；因此，新复制基因的发生是物种适应环境变化重要的基因组内部驱动力之一。但是，由于数据有限，此前对于该种遗传驱动力的研究主要是古老的复制基因，而未能深入探讨新基因产生之初的突变机制和选择压力等问题。本项目拟在微进化的框架下，挖掘果蝇群体数据，鉴定和从头拼接原有基因和新复制拷贝。而后，本项目将开展突变、选择、突变和选择的相互作用三个层面的分析：1）在母基因偏好性、子基因插入位点偏好性等方面，描述突变机制的特点；2）整合序列、表达和表型关联性等信息，区分新拷贝符合适应性选择的新功能发生模型还是中性的亚功能化模型；3）结合1）和2）的结果，推测突变机制的特点是否影响新拷贝的适应性命运。本项目将描述基因倍性增加这一基因组进化驱动力的内在特点，并揭示这些特点对适应性进化的影响。

基因复制被认为是进化的推动力之一，然而其分子机制和影响复制副本演化命运的因素并不清楚。本项目通过整合分析实验室自产的和公共数据库中的果蝇群体基因组数据，探索了如下两方面的问题。（1）分子机制方面：虽然在哺乳动物中已知RNA水平的复制即逆转录复制由一种L1类型的逆转座子介导，但是在其他动物中由何种逆转座子驱动并不明确。我们在果蝇中鉴定出15个逆转录基因，发现它们都具有一种相同的结构，即中间为逆转录基因，两侧为LTR逆转座子的嵌合结构；这些逆转录基因与逆转座子的融合点存在微同源序列。不仅如此，类似的分析在蚊子、斑马鱼、鸡、老鼠和人等物种中都鉴定出含有同样结构的逆转录基因。由此我们建立了一个新模型来解释上述现象：逆转录基因是由LTR逆转座子在复制过程中，借助微同源序列发生模板跳转而产生的。这是一种全新的外显子重排机制，即多个逆转录基因可以融合在一起，进而形成新的嵌合基因发挥功能。转录组和演化基因组分析显示嵌合基因可以转录，且正选择压力推动它的固定，支持其功能意义。简言之，我们鉴定了一种跨越无脊椎和脊椎动物的高度保守的基因复制机制，它能持续地改变动物的基因构成。该工作在基因组学领域的知名期刊Genome Research（2016）发表，受到了审稿人和多位相关专家的积极评价， GenomeWeb网站也予以报导。（2）影响复制副本演化命运的因素方面：考虑到复制基因存在旁系同源基因可以代偿其功能丢失，可能在长期演化中更容易丢失，因此我们调研了复制基因编码提前终止密码子（PTC）的情况。我们发现复制机制与有关复制基因在种群中的演化命运紧密相关：DNA水平的复制基因与从头起源基因类似，当演化年龄较小时它们更容易包含PTC，因而更容易丢失，而当其变得更古老后，包含PTC的概率则下降；而RNA水平的复制即逆转录基因则不同，它们通常不能容忍PTC突变。这说明逆转录基因与其母基因可能执行比较不同的功能，因而相互之间的可代偿性较低。该工作在分子进化领域的旗舰杂志Molecular Biology and Evolution（2015）发表。