基因组测序揭示鲶鱼鳞片形成机制

2017-01-19    编辑:诺禾致源
沟鲶的起源

沟鲶原产于美国的密西西比河流域,是大型的淡水鲶科鱼类,最大个体可达70斤以上。80年代中后期才开始引进我国,分类地位上属于硬骨鱼纲、鲶形目、鲶科。该鱼营养丰富,富含蛋白质,并含有多种矿物质和微量元素,特别适合体弱、营养不良之人食用。

沟鲶基因组

沟鲶的基因组,在今年6月份被美国奥本大学和美国国家生物防御分析与对策中心等机构合作解析完成,研究成果发表在Nature communications(IF=11.329)。值得一提的是奥本大学在海洋生物及水产等方面的研究在全世界属于顶尖地位。为减少基因组组装的复杂度,研究采用沟鲶的双单倍体进行测序。该鱼包含29对染色体,通过K-mer预估的基因组大小为1G。采用Illumina+Pacbio+BAC-end策略对基因组进行测序,所建文库400bp、3Kb、8Kb、34Kb等,采用MaSuRCA软件对测得的序列进行拼接,对于初步组装得到的Scaffold,采用Illumina-corrected Pacbio序列进行补洞,然后利用BAC-end数据对Scaffold进一步组装,最终组装得到的基因组大小为783Mb(34,615个Contigs和9974个Scaffolds),ContigN50为77.2Kb,ScaffoldN50为7.72Mb,并且利用连锁图谱的SNP标记将96.8%组装的基因组能够锚定到29条染色体上。对于未组装的159Mb的序列,分析发现都是属于高重复序列,具体组装指标见下表。


表1 鲶鱼基因组组装指标

评估基因组组装的正确性

首先通过利用连锁图谱中的SNP标记验证了基因组的准确性,沟鲶的连锁图谱包含54,000个SNP位点,其中31,387个SNP位点是29个连锁群所特有的。最大的163个Scaffolds(649Mb)跨越的3~92.6cM与连锁群是一致的(图1,左图)。其次通过BAC-end测序得到的序列,将其mapped到参考基因组中,BAC插入片段的大小与参考基因组几乎是一致的(图1,右图)。

图1 评估基因组组装的准确性



基因组注释

沟鲶的基因组预测共有26,661个编码蛋白的基因,98.95%的基因可以通过EST和RNA-seq数据所证实。这些基因在29条染色体进行分布(图3)。总的来说鲶鱼基因组中所含的基因数量与斑马鱼中类似,与斑马鱼基因组进行比较,通过基因家族聚类分析发现鲶鱼中存在1010个特有的基因,其中包括143个旁系同源基因和867个单拷贝基因。斑马鱼中特有的基因是931个(243个旁系同源基因和688个单拷贝基因)(图2)。

图2 鲶鱼和斑马鱼基因家族聚类分析

图3 基因在染色体中分布图
A:基因在染色体分布状况;B:单核苷酸变异;
C:与四足类动物相比硬骨鱼特有的基因;D:与软骨鱼相比,硬骨鱼特有的基因



遗传变异及群体进化历史分析

以往的研究表明,在软骨鱼中进化速度较慢而在硬骨鱼中进化速度较快,研究对150个个体进行重测序分析,并将测得的序列与参考基因组进行比较发现,在鲶鱼中SNP密度特别高,每93bp就会有一个SNP位点。这些高突变的区域包括111个基因,其中40个涉及到免疫相关的功能。同时发现许多硬骨鱼特有的免疫相关的基因都具有较高的SNP率。基于鲶鱼高的SNP率,对鲶鱼进行群体进化分析,发现鲶鱼在冰河世纪时期数量出现锐减,在后期间冰期,群体又慢慢恢复过来(图4)。

图4 沟鲶群体进化历史



硬骨鱼中的遗传标志

该研究在硬骨鱼中识别了297个基因,这些基因并不存在于四足类动物中,对这些基因进行分析发现,这些基因主要参与鱼的免疫功能、嗅觉器官的发育以及鳍的发育。同时在硬骨鱼中识别了280个基因,这些基因在软骨鱼中是不存在的,对这些基因进行功能聚类发现,这些基因主要参与骨的发育、气囊的发育以及免疫相关的功能(图5)。

图5 硬骨鱼中遗传标志



基因组揭示鳞片的形成机制

大多数鲶鱼都没有鳞片,为了确定鱼鳞的形成机制,我们首先确定了已知的一些与鳞片形成相关的基因,这些基因是否在鲶鱼中出现突变。通过测序发现,这些已知与鳞片相关的基因在鲶鱼中都存在,并且可以正常表达。说明这些基因对于鲶鱼不形成鳞片并不起作用。进一步我们通过比较有鳞鱼和无鳞鱼转录组进行分析,发现836个基因在有鳞鱼中表达但在鲶鱼中不表达,进一步通过鳞片发育实验确定了13个与鳞片形成有关的基因,其中10个上调3个下调。这10个上调基因中占主导作用两个基因是载脂基因和SCPP基因,载脂基因被报道参与脂肪代谢和斑马鱼中鳞片的形成,而SCPP参与骨骼肌发育和牙齿组织钙化等。在鳞片形成过程中,SCPP7基因表达明显上升。研究的初步结果表明,SCPP基因参与鳞片的形成(图6)。


图6 鳞片形成机制的研究

参考文献

Liu Z, Liu S, Yao J, et al. The channel catfish genome sequence providesinsights into the evolution of scale formation in teleosts. Nature communications, 2016, 7.