冬眠型与非冬眠型马铁菊头蝠关键冬眠基因的适应性进化

冬眠与非冬眠现象在哺乳动物中皆广泛存在，控制冬眠/非冬眠类群表型分化的遗传基础至今鲜有研究。本研究以马铁菊头蝠两个类群即冬眠型（具严格的冬眠习性）与非冬眠型（常年活动）为对照研究系统，通过功能基因组学、生物信息学与种群遗传学的交叉研究来揭示控制冬眠型/非冬眠型表型分化的关键基因，深入了解这对表型适应性进化分歧的遗传基础。首先通过全基因组数字基因表达谱分析技术，在冬眠型类群中筛选出冬眠前与冬眠期表达差异显著的基因，然后通过测序这些基因的全序列，比较分析鉴别出在冬眠型/非冬眠型间具有强烈分化的冬眠候选基因，最后通过种群遗传学分析方法检测这些候选基因的正选择信号，对于受正选择的关键基因，结合其功能分析以探究其适应性进化分歧的动力。对冬眠关键基因及适应性进化的揭示，不仅有助于深入了解冬眠/非冬眠类群表型适应性进化分歧的遗传基础，而且对进一步揭示冬眠本身的分子机制也具有重要意义。

许多动物都可通过冬眠度过不利环境条件，然而冬眠的分子基础尚不清楚。本研究以马铁菊头蝠两个类群即冬眠型（具严格的冬眠习性）与非冬眠型（常年活动）为对照研究系统，通过比较转录组测序以及种群遗传学分析方法，筛选出四个关键冬眠基因，对理解冬眠分子机制具重要参考价值。..对冬眠类群冬眠前与冬眠期样本的比较转录组测序结果显示，有大量基因参与冬眠的生理过程。对于肝组织而言，马铁菊头蝠冬眠前与冬眠期差异表达基因共11668个，其中冬眠期下调基因4820个，上调基因6848个。KEGG注释及富集分析显示约60%的下调基因富集于代谢通路，暗示冬眠期间代谢功能普遍受抑制，参与脂肪酸β氧化和酮体生成的基因在冬眠期间上调，说明冬眠期能量利用方式由糖代谢转变为脂代谢。上调基因富集的生化通路中有10条与免疫相关，暗示冬眠期马铁菊头蝠免疫功能加强。此外，细胞增殖和损伤蛋白清除功能相关基因及通路在冬眠期增强。对于脑组织，共检测到24601个差异表达基因，其中10635在冬眠期上调，13966冬眠期下调。GO与KEGG 生化通路富集分析表明，这些差异表达的基因涉及摄食抑制、冷应激、生物节律调控、神经活动与保护、免疫活动、糖代谢与脂肪代谢转变以及蛋白质代谢变化等。..除基因表达水平变化外，冬眠类群中一些基因功能亦可能发生了适应性进化。通过对冬眠类群与非冬眠类群转录组测序序列进行正选择分析，结果显示有13个功能已知基因检测到正选择信号。在这13个正选择基因中，有4个基因在脑或肝组织中冬眠期表达水平显著上调，分别为HPCA，ANGPTL2，MRPS26 与ZBED1。这四个基因可能代表了关键的冬眠基因。..转录因子ZBED1（调控细胞增殖）在冬眠期表达水平上调且受正选择，暗示其在冬眠中可能具有重要作用。通过进一步qRT-PCR 实验，我们发现该基因在冬眠期仅在脑组织和骨骼肌组织内表达上调，暗示冬眠期间这两种组织内细胞增殖活动增强，推测冬眠状态下长期的低温、缺血及长期的静止状态对这两种组织产生胁迫，细胞增殖活动增强可补偿这种损伤。此外，通过大地理尺度大样本的克隆测序分析结果显示，ZBED1基因仅在马铁菊头蝠冬眠型中检测到正选择信号，暗示该基因在冬眠类群中可能发生了相应的适应性进化。将来的研究工作需在分子水平进一步确定ZBED1基因与冬眠的直接相关性。