剂量敏感性和外显子洗牌过程塑造了重复基因的早期演化蓝图
编号：29
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更新：2022-07-11 10:22:09
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特邀报告
报告开始：2022年07月23日 14:40 （Asia/Shanghai）
报告时间：20min
所在会议：[S3] 分会场3 » [S3-1] 系统生物学与分子进化
摘要
Dan Zhang, Liang Leng, Chunyan Chen, Jiawei Huang, Yaqiong Zhang, Hao Yuan, Chenyu Ma, Hua Chen and Yong E. Zhang
重复基因的起源和演化是进化遗传学的重要研究方向1,2。然而，大多数研究聚焦于构成物种间差异的比较古老的重复基因，而对于剂量敏感性和外显子洗牌过程如何影响了重复基因的早期演化仍缺少研究；主要原因是回答这两个问题需分析尚处于进化初期、在物种内呈多态性的重复基因，研究的挑战性相对较大。
我们针对黑腹果蝇和人类这两个系统探讨了上述问题3。我们首先基于自产数据和公开数据，整合多种方法产生了高质量的多态性重复基因数据集。我们发现对两个物种而言，完整重复基因的表达上调；蛋白复合体成员基因较少发生完整重复，以避免破坏剂量平衡。X染色体连锁的剂量补偿基因是另一类剂量敏感基因，果蝇中X染色体上的完整重复基因在雄性和雌性脂肪体中表达水平相当，暗示果蝇的X染色体剂量补偿体系可以容忍基因拷贝数上升。与果蝇不同，人类X染色体编码的完整重复基因倾向于性别特异表达，无需剂量补偿。对不完整重复基因导致的外显子洗牌过程，我们重点分析了基因内部重复。在这种情况下，该基因位点往往进化出新可变剪切形式：一种是只包含一个重复单元的与祖先基因相同的短转录本，一种是包含两个重复单元的长转录本。表达分析显示人和果蝇都主要表达短转录本，这可能是个体维持重复发生之前基因结构的巧妙途径。
整体来看，该工作显示虽然这两个动物体系存在较大的生物学差异，剂量敏感性和外显子洗牌过程共同塑造了重复基因演化的早期蓝图。该工作不仅将新基因起源的两个主要机制即基因重复和外显子洗牌融合到一起4；同时也说明诺贝尔奖获得者Gilbert教授提出的外显子洗牌和可变剪切这两个概念5是相辅相成的，即可变剪切是基因内部重复发生的前提，使更复杂的蛋白结构可以在不影响此前基因结构的前提下得以演化出来。
参考文献
1. Ohno, S. Evolution by gene duplication, (London: George Alien & Unwin Ltd. Berlin, Heidelberg and New York: Springer-Verlag., 1970).
2. Zhang, J. Evolution by gene duplication: an update. Trends in ecology & evolution 18, 292-298 (2003).
3. Zhang, D. et al. Dosage sensitivity and exon shuffling shape the landscape of polymorphic duplicates in Drosophila and humans. Nat Ecol Evol (2021).
4. Long, M.Y., VanKuren, N.W., Chen, S.D. & Vibranovski, M.D. New Gene Evolution: Little Did We Know. Annual Review of Genetics 47, 307-333 (2013).
5. Gilbert, W. Why Genes in Pieces. Nature 271, 501-501 (1978).
重复基因的起源和演化是进化遗传学的重要研究方向1,2。然而，大多数研究聚焦于构成物种间差异的比较古老的重复基因，而对于剂量敏感性和外显子洗牌过程如何影响了重复基因的早期演化仍缺少研究；主要原因是回答这两个问题需分析尚处于进化初期、在物种内呈多态性的重复基因，研究的挑战性相对较大。
我们针对黑腹果蝇和人类这两个系统探讨了上述问题3。我们首先基于自产数据和公开数据，整合多种方法产生了高质量的多态性重复基因数据集。我们发现对两个物种而言，完整重复基因的表达上调；蛋白复合体成员基因较少发生完整重复，以避免破坏剂量平衡。X染色体连锁的剂量补偿基因是另一类剂量敏感基因，果蝇中X染色体上的完整重复基因在雄性和雌性脂肪体中表达水平相当，暗示果蝇的X染色体剂量补偿体系可以容忍基因拷贝数上升。与果蝇不同，人类X染色体编码的完整重复基因倾向于性别特异表达，无需剂量补偿。对不完整重复基因导致的外显子洗牌过程，我们重点分析了基因内部重复。在这种情况下，该基因位点往往进化出新可变剪切形式：一种是只包含一个重复单元的与祖先基因相同的短转录本，一种是包含两个重复单元的长转录本。表达分析显示人和果蝇都主要表达短转录本，这可能是个体维持重复发生之前基因结构的巧妙途径。
整体来看，该工作显示虽然这两个动物体系存在较大的生物学差异，剂量敏感性和外显子洗牌过程共同塑造了重复基因演化的早期蓝图。该工作不仅将新基因起源的两个主要机制即基因重复和外显子洗牌融合到一起4；同时也说明诺贝尔奖获得者Gilbert教授提出的外显子洗牌和可变剪切这两个概念5是相辅相成的，即可变剪切是基因内部重复发生的前提，使更复杂的蛋白结构可以在不影响此前基因结构的前提下得以演化出来。
参考文献
1. Ohno, S. Evolution by gene duplication, (London: George Alien & Unwin Ltd. Berlin, Heidelberg and New York: Springer-Verlag., 1970).
2. Zhang, J. Evolution by gene duplication: an update. Trends in ecology & evolution 18, 292-298 (2003).
3. Zhang, D. et al. Dosage sensitivity and exon shuffling shape the landscape of polymorphic duplicates in Drosophila and humans. Nat Ecol Evol (2021).
4. Long, M.Y., VanKuren, N.W., Chen, S.D. & Vibranovski, M.D. New Gene Evolution: Little Did We Know. Annual Review of Genetics 47, 307-333 (2013).
5. Gilbert, W. Why Genes in Pieces. Nature 271, 501-501 (1978).
关键字
新基因起源,基因重复
报告人
张勇
研究员 中国科学院动物研究所张勇，博士，研究员，中国科学院动物研究所计算进化基因组学研究组组长。2006年于北京大学生物信息学中心获博士学位。2007年到2011年在芝加哥大学留学。2011年加入中国科学院动物研究所工作。主要从介导基因起源特别是重复基因起源的突变机制这一角度开展系统研究，成果如下：1）鉴定转座子介导的基因重复新机制并刻画其在不同动物谱系中的偏好性，发现串联重复基因的分布在物种间有显著差异；2）阐明不同类型重复基因的演化模式和功能偏好受相应起源机制影响的现象；3）开发基因起源机制和起源年龄的推断方法以及人类新基因数据库。近几年相关研究成果在Nat Ecol Evol等知名刊物发表；共发表SCI学术论文60余篇，引用超过6000次。曾获优秀青年科学基金等项目资助，担任BioEssays等期刊的编委。
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