论文部分内容阅读
新基因的起源在生物体中是一个普遍的过程，了解新基因的起源可以有助于了解基因组进化、种的形成以及分子进化与环境适应之间的关系。目前对新基因起源已经总结了很多经典的分子机制(如exon shuffling-外显子洗牌，gene duplication-基因复制，retroposition-逆转座，mobile element-可移动元件，lateral gene transfer-基因水平转移，gene fusion/fission-基因融合/分裂，de novo origination-从头起源等)，也提出了很多很有说服力的进化模型和假说(如waiting model-等待模型，immediate model-中间模型，adaptational model-适应性模型，subfunctionaliztion andneofunctionaliztion-亚功能化和新功能化等)。而最近提出来一种新模型-EAC(escape from adaptive conflict)model-逃脱适应性冲突模型能够告诉我们进化过程的整个全景图，是一个非常重要的进化模型。
极地鱼类抗冻蛋白由于其产生较晚，进化动力为相对简单且比较稳定的寒冷环境，因而是研究新基因起源一个不可多得的良好系统。到目前为止在不同的极地鱼类中共发现组成和结构明显不同的五种抗冻蛋白(AFGP、AFPⅠ、AFPⅡ、AFPⅢ、AFPⅣ)。自Chen等(1997)清楚的阐述南极鱼业目中抗冻糖蛋白基因(AF6P)的起源过程后，而其它类型抗冻蛋白基因的起源过程目前还不清楚。极地绵鳚亚目鱼类中的Ⅲ型抗冻蛋白(AFPⅢ)与人的唾液酸合成酶(Sialic Acid Synthase，SAS)C端61个氨基酸具有弱相似性，并且其结构也极其相似，这种序列和结构上的相似性暗示AFPⅢ与SAS基因可能具有某种未知的进化关系。
我们通过构建南极鱼Lycodichthys dearborni细菌人工染色体(BacterialArtificial Chromosome，BAC)文库然后筛选SAS和AFPⅢ阳性BAC克隆。在结合SAS和AFPⅢ基因的染色体荧光原位杂交(FISH)结果，我们利用BAC克隆指纹图谱技术分析第一次清晰地获得了在南极鱼Lycodichthys dearborni的SAS和AFPⅢ因在染色体基因组上的位点。在SAS和AFPⅢ因位点进行鸟枪法测序后，我们比较分析了SAS和AFPⅢ基因(包括paralogs和orthlogs)的序列，同时结合SAS和AFPⅢ的功能实验结果，我们第一次清楚地阐述了AFPⅢ基因起源的全过程。
我们认为SAS-B和AFPⅢ的祖先基因C端结构域由于受到了选择压力要增加冰晶结合能力而出现新旧功能(SAS酶催化功能和冰晶结合功能)的冲突，后发生复制解决了冲突，其中一个子拷贝插入另一条染色体产生了基因拷贝，然后发生缺失去掉N端结构域(从第一个外显子中间到第5个外显子)，同时在5’UTR重新找到ATG产生信号肽和下游连着的第6外显子一起编码，变成了只有2个外显子的分泌蛋白基因AFPⅢ。我们分别在SAS-B和AFPⅢ分支上探测到正选择信号，这支持SAS和AFPⅢ祖先基因复制后适应性的冲突被解决了。AFPⅢ起源过程符合逃脱适应性冲突模型(EAC模型)的3个标准，是EAC模型中一个典型的例子。
本研究揭示了存在于祖先基因中一些微小功能的进化过程，阐述了这些微小功能是如何在自然选择压力下而进化成一个具有新功能的蛋白；也为基因复制后新产生的子拷贝在面对假定相同的选择和突变压力下能够采取不同的进化途径的这个理论增添亮点。