基因组低深度测序探究硬骨鱼MHC拷贝数与进化和适应性的关系

2017-01-12    编辑:诺禾致源

研究背景

硬骨鱼类包含了大多数的脊椎动物。
表现出大量的遗传和表型多样性,如免疫机制的多样性。
这篇文章通过对66个硬骨鱼种类基因组低深度测序组装和比较基因组学分析,
来研究MHC拷贝数与进化和适应性的关系。

研究结果

1. 66种硬骨鱼基因组测序组装结果

样本:66种硬骨鱼
每个物种测序深度:9~39×
测序平台:Illumina HiSeq 2000
基因组大小:448~1965Mb
组装指标:Scaffold N50:3.2kb~71kb




2. 基因组水平的系统发育

为了确定硬骨鱼和鳕形目之间的关系,用66个基因组草图加10个已发表的基因组中的111个直系同源基因中的567个外显子进行系统进化分析。用贝叶斯系统推演法建立硬骨鱼进化的时间轴及免疫基因改变的时间节点。结果发现,枝长和独特的映射缺失之间并没有关联,这表明在本研究的种系发生中,不完全的世系排列并不影响硬骨鱼进化的分歧,进化树进一步证实了鞭尾鱼是鳕形目最近的亲属,并且估算出这一世系最老的物种约为8500万年(图1)。

图2 MHC 家族核心基因(左:进化树,中:关键基因,右:拷贝数)


4. MHCⅠ家族拷贝数变化差异和物种多样性的关系

用比较系统发生学方法研究MHCⅠ家族基因拷贝数的变化与系统进化的关系 (图3)。结果表明MHC基因之间的平衡是由于检测和消除病原体之间功能的交换而达到。鲟型目有616种现存物种,表明这些鱼类的MHC拷贝数变化和物种分化的速率可能存在关系,通过比较MHCⅠ拷贝数和分化速率的趋势,发现当拷贝数达到20~25的时候有最大的分化速率,且只对MHCⅠ拷贝数大于20的基因有影响。

图1 76个鱼类物种的时间校正进化关系图


3. MHC Ⅱ 通路基因丢失和 MHC Ⅰ 拷贝数变异

评估大西洋鳕鱼中MHC Ⅱ途径基因的起源和丢失,用27个在MHC Ⅰ和MHC Ⅱ家族的核心功能的基因及在其他物种中的同源基因建立进化关系(图2)。研究发现鲟形目的MHC Ⅱ家族通路相关基因丢失。MHC Ⅰ家族基因比对到MHC Ⅰ家族的两个分支(U和Z-蛋白结合域),且拷贝数是其他鱼类的15倍。
作者提出了两种可能的假说来解释MHC Ⅱ基因的缺失:(1)为了降低代谢消耗;(2)免疫基因功能转变导致完全废弃MHC Ⅱ。通过比较发现,MHC Ⅰ基因的扩张出现在犀鳕科分化之后,也就是在MHC Ⅱ基因缺失之后。



图3 MHCⅠ拷贝数进化及分化速率分析

研究结论

66种新硬骨鱼的基因组草图组装为脊椎动物大规模进化枝对比分析提供了可能,
研究人员利用这些信息解开了免疫关键基因的进化历史,揭示了硬骨鱼类中MHC基因组成差异对脊椎动物世系进化多样率的影响。
这一结果扩展了目前对于适应性免疫系统可塑性的理解,同时提出了免疫相关基因在物种多样性方面的重要意义。