大豆蛋白编码基因起源与进化

物种基因组成是一个高度动态的进化过程, 其中相对较近起源的种系和物种特异性基因会持续整合到包含古老基因的原始基因网络中。新基因在塑造基因组结构中发挥重要作用, 能提高物种适应性。基因复制和新基因的从头起源是产生新基因及改变基因家族大小的2种方式。目前, 大豆(Glycine max)基因起源时间与进化模式的相互联系很大程度上还未被探索。该研究选择19种具有代表性的被子植物基因组, 分析基因含量动态性与大豆基因起源之间的潜在联系。采用基因出现法, 研究显示约58.7%的大豆基因能追溯到大约1.5亿年前, 同时有21.7%的基因为最近起源的orphan基因。研究结果表明, 与新基因相比, 古老基因受到更强的负选择压并且更加保守。此外, 古老基因的表达水平更高且更可能发生选择性剪切。此外, 具有不同拷贝数的基因在上述特征中也具有明显差异。研究结果有助于认识不同年龄基因的进化模式。     

核糖核酸酶基因超家族分子进化

核糖核酸酶基因(Ribonuclease A, RNASE A)超家族是进化生物学中研究新基因起源及新功能演变的重要模式系统之一。RNASE A超家族中的很多成员表现出基因复制的进化模式, 而且在适应性(正)选择的驱动下, 发生了功能分化。文章综述了RNASE A超家族成员在不同动物类群中进化模式的研究进展, 包括近年来越来越多在基因组水平上开展的相关研究, 显示该基因超家族可能具有比人们以往认识的更为复杂的基因进化模式。随着越来越多动物基因组数据的产生, 对更多动物代表类群进行RNASE A超家族研究, 将有望揭示新的进化机制和功能分化, 为系统认识动物适应进化的遗传机制奠定基础。     

谱系特有基因研究进展

谱系特有基因(Lineage-specific genes,LSGs)是指在一个谱系中特有并与其他物种谱系所有基因没有明显序列相似性的基因,约为物种基因组全部基因数量的10%~20%,于1996年首次在完成全基因组测序的酵母基因组中大量发现。大规模测序技术的发展使谱系特有基因研究成为比较基因组学的研究热点,已在微生物、海洋低等生物、植物(如拟南芥、水稻、杨树)、昆虫及高等灵长类动物等多个物种或类群中展开,其生物功能对于阐明物种进化历程和生物适应性具有重要意义。文章介绍了谱系特有基因的研究背景和现状,从谱系特有基因获取、基因结构分析、进化起源、生物功能、表达特性分析等方面阐述谱系特有基因的研究进展,分析了存在的问题和后续研究方向,以期为相关研究提供参考。     

叶绿体基因infA-rpl36区域在小麦族物种中的序列变异分析

利用小麦叶绿体基因组中infA-rpl36区域的序列设计引物, 对小麦族(Triticeae)的12个二倍体和多倍体的物种进行了PCR扩增和序列测定, 获得了长度为584～603 bp的12条DNA序列。序列分析表明, 供试物种在infA-rpl36基因间隔区的核苷酸变异明显高于基因编码区。基因编码区核苷酸序列同源性高达97%, 表明了目标片段具有高度的保守性。但在5个物种的infA编码区出现了较大的插入、缺失突变, 导致推导的氨基酸序列也发生了很大的变化, 证实了infA基因是叶绿体基因组中最活跃的基因之一, 而rpl36基因的变异较小, 说明不同叶绿体基因的进化速度是不同的。基于测定序列建立的种系树分析发现, 多倍体物种中间偃麦草(Thinopyrum intermedium)具有多种不同的细胞质起源, 与核基因组一样在进化上较为复杂。     

F-box基因拷贝数目变异的机制研究:以12种果蝇为例

拷贝数目变异是一种对表型变异和生物进化具有重要意义的基因组结构变异.以前的研究表明不同物种中F-box基因的拷贝数目差异较大.为了深入探索拷贝数目变异的式样和机制.我们以12个果蝇近缘种为研究对象,分析了F-box基因的系统发育关系、进化式样以及它们在染色体上的位置.结果发现,虽然各个物种中F-box基因的拷贝数目差别不大(42-47个),但是仍然存在着很多引起拷贝数目变异的基因获得和丢失事件.这说明表面上变化不大的拷贝数目在一定程度上掩盖了频繁发生的基因获得和丢失事件.通过比较这些基因在染色体上的位置,发现只有在亲缘关系很近的物种之间才能鉴定出有明显微共线性关系的基因组区段.我们还发现,造成F-box基因拷贝数目增加的主要机制是散在重复和串联重复,而反转录转座和新基因的非编码区起源也是两种值得注意的机制.此外,序列变异导致的外显子边界变化以及外显子丢失是引起拷贝数目减少的两种机制.在12种果蝇的最近共同祖先中,F-box基因的拷贝数目与现存物种基本相似,但是基因的获得和丢失事件使得现存物种中的F-box基因在构成上已经有了明显的差别.对数目变异的式样及其与基因功能的关系的研究表明,拷贝数目变异是F-box基因家族"生与死"的进化在基因组层面的系统反映,并有可能为表型变异提供了原始材料.     

16个完整基因组中核糖体蛋白基因排列顺序保守性的研究

在16个完整基因组中,对70个核糖体蛋白基因的排列顺序进行了分析.这些基因在每个基因组中平均构成9～14个操纵子.结果显示:(1)L3和L14操纵子中包含的20多个核糖体蛋白的排列顺序在古细菌和真细菌这两个不同界的基因组中都非常保守;(2)有些操纵子结构分别是真细菌或古细菌所特有的;(3)在每一界中,有些操纵子中的核糖体蛋白的基因排列顺序在不同的物种中存在一定的差异,这种差异可以用来推测物种之间的亲缘关系.这种方法为研究古老物种的起源和进化提供了一条新途径.     

功能基因中的微卫星序列

微卫星序列广泛存在真核生物和一些原核生物的基因组中,它在基因组中的分布并不是随机的。不同重复拷贝类别在基因组中存在种属间和碱基组成的特异性,各种优势的重复序列类型不同。此外,基因中在编码区和非编码区的分布也表现出种属和碱基组成差异。这种差异显示了微卫星序列起源进化的复杂性,也反映了基因中微卫星序列的生物学功能。功能基因为遗传学工作者提供了一个联系表型和基因型的手段,研究功能基因中的微卫星序列不仅在绘制精细遗传图谱、筛选重要农艺性状基因、物种进化等问题上都有着重要的作用,而且在疾病治疗有潜在的应用价值。本文主要阐述了微卫星序列的形成机制、基因中微卫星序列的分布以及功能基因中微卫星序列的生物学作用,并指出了目前实践中的一些问题。     

基因重复研究进展

基因复制是基因通过不等交换,反转录转座或由全基因组复制等途径产生一个与原基因相似的基因或碱基序列,它与生物体基因组大小的进化、新基因的起源、物种的分化以及基因抗突变的能力大小等都密切相关。本文综述了复制基因的产生和保留机制、选择作用、分化的途径以及复制基因进化速率等方面的相关研究,揭示了基因复制对于生物进化的重要性,以引起大家对该领域的了解与关注。关键词：基因复制;复制基因;不等交换;反转录转座;全基因组复制     

全基因组测序在重要家畜上的研究进展

全基因组测序研究主要包括通过不同测序技术和组装比对方法,获得某物种的全基因组序列图谱,及在此基础上构建物种全基因组遗传变异图谱进行个体或群体遗传多样性、选择信号或起源进化等方面的研究。利用单核苷酸多态性(SNP)、插入和缺失(Indel)和拷贝数变异(CNV)等遗传变异作为分子标记,全基因组测序研究已经在家畜起源进化、驯化、适应性机制、重要经济性状候选基因、群体历史动态等方面取得了许多重要的研究成果。本文主要对近几年全基因组测序在常见家畜(猪、马、牛、羊等及其近缘物种)的取得的重要研究成果进行了综述,并讨论了全基因组测序的优势、缺点及在生产中意义。此外,对基因组测序研究的未来发展进行了归纳及展望,以期为今后家畜重要经济性状的功能基因定位和物种起源、驯化研究提供参考。     

黒腹果蝇中嵌合新基因的进化命运和表达模式

新基因的起源和进化对基因组多样性的产生具有重要的贡献.新基因起源常常通过外显子重排而形成嵌合的基因结构,以产生具有新功能的蛋白质.该文调查了在黒腹果蝇中的14个新起源的嵌合基因在群体中的多态性,发现其中8个在群体中的核苷酸多态性会引起提前终止子,而其他6个在群体中编码框都完整且其中4个受到负选择.研究结果表明,嵌合新基因起源后可能存在两种命运:积累提前终止子突变而假基因化,或者表现出一定功能而受自然选择固定下来.基因表达的数据显示,与RNA介导外显子重排(逆转座)形成的新基因不一样,这些由DNA水平外显子重排产生的新基因没有精巢或者雄性特异性表达模式,而是表现出更为多样性的时空表达模式,这提示尽管通过DNA水平外显子重排产生的新基因可能正在变成假基因或者非蛋白质编码的RNA基因,但它们依然可能具有进化出广泛的生物学功能的潜力.     

The origin of new genes: glimpses from the young and old

Genome data have revealed great variation in the numbers of genes in different organisms, which indicates that there is a fundamental process of genome evolution: the origin of new genes. However, there has been little opportunity to explore how genes with new functions originate and evolve. The study of ancient genes has highlighted the antiquity and general importance of some mechanisms of gene origination, and recent observations of young genes at early stages in their evolution have unveiled unexpected molecular and evolutionary processes.     

种子植物抗细胞凋亡DAD基因的演化

抗细胞凋亡基因(DAD)是一个高度保守的细胞凋亡抑制基因,在植物生长发育中承担重要功能。为全面了解DAD基因在种子植物中的分布和演化规律,该文利用31种植物的全基因组数据,通过生物信息学手段,深入探讨和分析了不同植物类群中DAD基因的拷贝数目、基因结构和染色体定位,并综合另外7种裸子植物的转录组数据探讨了其在种子植物中的演化趋势。结果表明,DAD基因属于低拷贝基因,在不同种子植物中只具有1–3个拷贝;不同DAD基因编码的氨基酸长度在108–170 aa之间变动。同线性和系统发育分析进一步表明,种子植物DAD基因的演化具有明显的谱系特异性。随机复制和染色体大片段复制及其随后的基因丢失可能是其维持低拷贝的重要方式。     

植物颗粒结合淀粉合酶GBSS基因家族的进化

为全面理解植物颗粒结合淀粉合酶(GBSS)基因在植物中的进化模式并重建其进化历史, 利用20种陆生植物和2种藻类植物的基因组数据, 通过生物信息学手段, 深入挖掘和分析植物类群基因组中GBSS基因家族的构成和基因特点, 推测其可能的扩增和丢失规律。结果共识别42条同源序列。系统发育和进化分析表明, GBSS基因起源古老, 可能在所有绿色植物的祖先中就已经出现, 之后在进化过程中不断发生谱系的特异扩张和拷贝丢失, 并最终通过功能分化的形式在植物类群中被固定。     

Mosaic origins of a complex chimeric mitochondrial gene in Silene vulgaris

Chimeric genes are significant sources of evolutionary innovation that are normally created when portions of two or more protein coding regions fuse to form a new open reading frame. In plant mitochondria astonishingly high numbers of different novel chimeric genes have been reported, where they are generated through processes of rearrangement and recombination. Nonetheless, because most studies do not find or report nucleotide variation within the same chimeric gene, evolution after the origination of these chimeric genes remains unstudied. Here we identify two alleles of a complex chimera in Silene vulgaris that are divergent in nucleotide sequence, genomic position relative to other mitochondrial genes, and expression patterns. Structural patterns suggest a history partially influenced by gene conversion between the chimeric gene and functional copies of subunit 1 of the mitochondrial ATP synthase gene (atp1). We identified small repeat structures within the chimeras that are likely recombination sites allowing generation of the chimera. These results establish the potential for chimeric gene divergence in different plant mitochondrial lineages within the same species. This result contrasts with the absence of diversity within mitochondrial chimeras found in crop species.     

Reshaping of global gene expression networks and sex-biased gene expression by integration of a young gene

New genes originate frequently across diverse taxa. Given that genetic networks are typically comprised of robust, co-evolved interactions, the emergence of new genes raises an intriguing question: how do new genes interact with pre-existing genes? Here, we show that a recently originated gene rapidly evolved new gene networks and impacted sex-biased gene expression in Drosophila. This 4–6 million-year-old factor, named Zeus for its role in male fecundity, originated through retroposition of a highly conserved housekeeping gene, Caf40. Zeus acquired male reproductive organ expression patterns and phenotypes. Comparative expression profiling of mutants and closely related species revealed that Zeus has recruited a new set of downstream genes, and shaped the evolution of gene expression in germline. Comparative ChIP-chip revealed that the genomic binding profile of Zeus diverged rapidly from Caf40. These data demonstrate, for the first time, how a new gene quickly evolved novel networks governing essential biological processes at the genomic level.     

Dntf-2r,a young Drosophila retroposed gene with specific male expression under positive Darwinian selection

A direct approach to investigating new gene origination is to examine recently evolved genes. We report a new gene in the Drosophila melanogaster subgroup, Drosophila nuclear transport factor-2-related (Dntf-2r). Its sequence features and phylogenetic distribution indicate that Dntf-2r is a retroposed functional gene and originated in the common ancestor of D. melanogaster, D. simulans, D. sechellia, and D. mauritiana, within the past 3-12 million years (MY). Dntf-2r evolved more rapidly than the parental gene, under positive Darwinian selection as revealed by the McDonald-Kreitman test and other evolutionary analyses. Comparative expression analysis shows that Dntf-2r is male specific whereas the parental gene, Dntf-2, is widely expressed in D. melanogaster. In agreement with its new expression pattern, the Dntf-2r putative promoter sequence is similar to the late testis promoter of beta2-tubulin. We discuss the possibility that the action of positive selection in Dntf-2r is related to its putative male-specific functions.     

On the origin and evolution of new genes——a genomic and experimental perspective

The inherent interest on the origin of genetic novelties can be traced back to Darwin, But it was not until recently that we were allowed to investigate the fundamental process of origin of new genes by the studies on newly evolved young genes. Two indispensible steps are involved in this process: origin of new gene copies through various mutational mechanisms and evolution of novel functions, which fur-ther more leads to fixation of the new copies within populations. The theoretical framework for the former step formed in 1970s. Ohno proposed gene duplication as the most important mechanism producing new gene copies. He also believed that the most common fate for new gene copies is to become pseudogenes. This classical view was validated and was also challenged by the characterization of the first functional young gene jingwei in Drosophila. Recent genome-wide comparison on young genes of Drosophila has elucidated a compre-hensive picture addressing remarkable roles of various mechanisms besides gene duplication during origin of new genes. Case surveys revealed it is not rare that new genes would evolve novel structures and functions to contribute to the adaptive evolution of organisms.Here, we review recent advances in understanding how new genes originated and evolved on the basis of genome-wide results and ex-perimental efforts on cases, We would finally discuss the future directions of this fast-growing research field in the context of functional genomics era.