酵母重复基因间基因置换的统计分析

酵母基因组由全基因组倍增产生大量的重复基因。这些重复基因可发生基因置换(Gene Conversion)，即一个基因序列全部或部分被其同源基因的序列替代。基因置换的研究对认识生物学中的一些基本规律（如非同源重组的规律和影响，基因组的稳定性，基因功能改变等）有着根本性影响。由于酵母基因组序列没有得到良好的拼接，计算难以揭示多个基因组间的基因共线性，酵母重复基因间的基因置换还没有一个深刻的推断。本项目旨在利用进化理论的工具和方法，基于共线性方法试图通过对酵母祖先物种中加倍事件中产生的大量重复基因，进行比较基因组学研究，通过基因在染色体上的位置分析，确定共线性同源基因，结合外类群序列，构建系统发育树，考虑可能的基因置换；结合统计学和系统发育分析方法，全面展示倍增基因在不同物种、不同时期基因置换发生的规模和规律；试图阐明基因置换与基因碱基含量之间的相关性、基因置换与基因进化率之间的相关性。

在酵母基因组中由全基因组倍增产生大量的重复基因。这些重复的基因之间可以进行遗传重组，遗传重组可以是相互的或者不相互的传递遗传信息，后者称为基因置换。基因置换比较分析重复基因序列间的相似性，可以揭示重复基因间非正常的遗传重组。由于计算难以揭示多个酵母基因组间的基因共线性，并且多个酵母基因组序列没有得到良好的拼接，所以对于酵母重复基因间的基因置换还没有一个深刻的推断。基于共线性方法分析多个酵母物种的全基因组序列，鉴定了每个酵母物种中平均约有9.5%的重复基因是由基因倍增产生。结合统计学和系统发育分析方法，发现这些重复基因中平均约有15.6%发生序列置换，包括全基因序列置换和部分基因序列置换；并且这种不对称传递遗传信息事件，发生在基因倍增之后不同酵母物种分化的各个时期。用 Z检验评估发生和未发生基因置换直系同源基因间核苷酸同义替代速率（Pa）平均值差异，以及非同义替代速率（Ps）平均值的差异，发现发生基因置换直系同源基因间平均的Pa,Ps 值显著小于没有发生基因置换的Pa,Ps均值，推断非正常遗传重组的发生可能基因的保守性相关。在酵母基因组中依据Pa/Ps分析发现基因置换没有导致基因进化在选择压上的显著性改变，但揭示一个事实就是酵母基因组进化过程中强烈受选择压的影响，在酵母基因进化过程中同源基因序列间的非同义突变的概率只有同义突变的10%。分别计算三个酵母物种S.cerevisiae、S.paradoxus、S.bayanus重复基因序列的GC含量（碱基G和C在DNA序列中的百分比），并且对发生置换的基因和没有发生置换基因的GC含量进行平均值差异的 检验，发现基因置换与密码子第一、二位的GC含量显著相关，但与密码子第三位的GC含量无明显相关性。用卡方检验分析基因置换和旁系同源基因对之间的相对转录方向及基因在染色体上的物理位置的关系，发现基因置换与旁系同源基因对间的相对转录方向不相关，并且没有发现基因置换与基因物理位置相关的证据。相关性分析显示发生基因置换的重复基因间的基因表达比没有发生基因置换的重复基因的更相似，但基因置换并未带来基因在表达量变化。