基因擴增的研究進展

基因復制是矩陣進化的重要機制。它不僅是基因功能多元化的前提，也是物種進化的主要推動力。基因倍增有兩種模式:串聯基因倍增和大規模基因倍增,兩種基因倍增過程均產生大量基因家族。串聯基因倍增是DNA分子復制出一個或多個鄰近拷貝的過程,其通過高頻率的基因產生和死亡實現基因家族的進化;大規模基因倍增是染色體中大片段基因組倍增,甚至全基因組倍增,其發生頻率較低,且倍增基因通常大量流失,存留下來的倍增基因積聚突變或者獲得新的功能,或者退化成沒有功能的假基因。基因功能在具備多樣化之前,必需先發生基因倍增,由此可見基因倍增在進化中的重要性。基因倍增是基因組進化最主要的驅動力之一,是產生具有新功能的基因和進化出新物種的主要原因之一。基因倍增現象廣泛存在,據估計,人類基因組中大約有15%的基因由基因倍增產生,而在果蠅、線蟲和酵母基因組中有8%～20%的基因由此產生,模式生物的基因倍增率大約為每個基因每百萬年倍增0.2%～2%。在基因倍增的研究中,存在大量對應同源基因的兩個片段被稱為同線性(synteny)區域,通過尋找這些片段并結合片段中丟失的基因來判斷大規模基因倍增的范圍;利用同源基因的平均同義置換率估計基因倍增的年代,結合系統發育分析來研究基因倍增和物種分化的前后順序。基于以上的理論和方法,近年來對基因倍增研究發現脊椎動物、模式植物、酵母等中存在不同程度的大規模基因倍增,有的甚至是全基因組倍增。盡管對基因倍增有廣泛的研究,然而在研究進展中仍然存在一些問題:(1)基因起源的爭論(大規模基因倍增或是連續的小規模基因倍增);(2)由于倍增基因的流失,基因積聚突變發生了更大的變異,基因組中存在隱藏的倍增區域,在探測大規模基因倍增時,仍然難以確定基因倍增發生的程度;(3)用基因之間的同義置換率估計基因倍增年代并非完全穩定可靠,因此,在估計基因倍增的年代時存在差異;(4)目前新的基因測序數據不斷涌現,迫切需要發展新的方法,新的思路來研究基因倍增過程。1脊柱基因多因素的研究1.1腰椎基因增益的觀點Ohno于20世紀70年代提出了基因倍增學說,即在脊椎動物進化歷程中發生過一次或多次的全基因組倍增,Holland等將其修正為二輪的基因組倍增,即二輪(2R)基因組倍增學說,該學說提出時被廣泛接受,并引發后來對基因倍增研究的熱潮,隨著近年來對基因倍增進行廣泛和深入的研究,該學說卻引起了越來越多的爭論。2R基因組倍增學說提出時并沒有足夠的數據可為其提供證明,支持該學說主要有兩點理由:一是無脊椎動物,如節肢動物、海膽和頭索動物文昌魚,都只有一個Hox基因簇,而脊椎動物除魚類有7個Hox基因簇外,其余都具有4個Hox基因簇;二是不同物種的基因組不同區域內有許多結構、功能和排列次序相似的基因形成的同線性區域。隨著脊椎動物基因組數據的不斷增長,研究者開始對2R學說進行數據測試。對脊椎動物基因進行系統進化分析的結果并不支持2R學說,認為早期脊椎動物的基因進化并不能用簡單的模型2R描述,由此引發了對2R學說的一系列爭論。Wang和Gu分析了49個產生于脊椎動物進化早期的脊椎動物基因家族,通過估計具有三個基因成員的26個基因家族前兩次基因倍增的年代T1和T2,得到的結果與2R學說在較大程度上一致。然而分析具有四個基因成員的23個基因家族的基因倍增年代卻僅有5個基因家族與2R學說一致,說明對于一些復雜的基因家族,早期脊椎動物基因倍增模式比預想的2R學說模式更加復雜。近年來對2R基因組倍增學說的爭論越演越烈,其中2003年幾篇重要文獻最具有代表性,爭論的焦點主要有兩點:一是脊椎動物基因倍增的模式(全基因組倍增模式或串聯倍增模式);二是全基因組倍增的次數和年代。隨著人類全基因組測序計劃的完成,為研究者提供了更多可供分析的序列數據。為了分析人類基因組的全基因組倍增,使用基于作圖的方法尋找到的種內(paralogous)同源序列超過人類基因組的40%,對其進行系統進化分析,結果表明脊椎動物進化中在350～650百萬年前之間發生過一次全基因組倍增。而通過比較人類和無脊椎動物的基因家族大小,結果表明脊椎動物和無脊椎動物基因家族的成員數目之比并非之前提出的4∶1,同時系統進化分析也不支持2R學說,基因倍增的年代在進化歷史上廣泛分布,并不集中于某個時間范圍,該研究徹底否定了2R學說,提出脊椎動物基因倍增是串聯倍增。大規模脊椎動物基因家族的系統進化分析結果對2R學說提出新的質疑,從749個脊椎動物基因家族的系統進化分析中標注了1739個基因倍增事件發生的年代,結果表明由串聯倍增產生的基因占30%～52%,并提出一種新的解釋模型:mR+C,即m輪全基因組倍增加上連續的串聯倍增,該理論修正了2R學說的一些不足。因此,全基因組倍增和串聯倍增都對脊椎動物早期進化過程起了重要的作用。綜上所述,脊椎動物的基因倍增模式并不象2R基因組倍增學說那樣單一,串聯基因倍增占有相當大的比例,因此,兩種混和的倍增模式對于解釋其進化過程更為合理,該研究使我們對脊椎動物早期基因的進化有了更深入的了解。1.2基因遞增的增加雖然脊椎動物的基因倍增不能完全由2R學說來解釋,然而基因倍增現象在脊椎動物中廣泛存在。對文昌魚、線蟲、果蠅、酵母單拷貝的種間(orthologous)同源基因、大腸桿菌的ESTs、小鼠和人類的基因進行比對分析,在人類染色體中探測到485個倍增片段,這些片段中的基因在線蟲、果蠅和酵母中具有種間同源基因,其中331個片段在小鼠基因組中發生過倍增,并且存在于小鼠和人類基因組的同線性區域中,由此表明:較大部分基因倍增發生在小鼠和人分化之前,而且在脊椎動物起源時期至少發生過一次全基因組倍增,而在鳥類和哺乳動物分化時期附近發生過一些串聯基因倍增。分析49個具有人類、小鼠、雞、非洲爪蟾、斑馬魚和河豚魚的種間同源基因,并在斑馬魚基因組中找到10個倍增區域,這些倍增區域具有2～5個種內(paralogous)同源基因,系統進化分析和共線性數據說明斑馬魚和河豚魚具有共同的祖先,而且魚類的進化經歷了一次全基因組基因倍增。最近的研究延續著對基因倍增模式的討論,并對大片段基因倍增和基因表達趨異進行了深入討論。人類基因組的4%是大片段基因組倍增,而24個染色體之中,大片段基因組倍增所涵蓋的比率為1%～14%。在15個染色體中,染色體內的倍增比染色體間的倍增普遍。此外,人類基因組中種內同源序列占人類基因組的44%。小鼠基因組中約1.2%的序列的產生與最近一次大片段基因組倍增有關,這個倍增率低于人類基因組(約4%)的大片段基因組倍增率。我們還可以找到更多的脊椎動物基因倍增,在此不再一一列舉,脊椎動物進化過程中發生過大規模基因倍增這一事實已經毋庸置疑。2植物基因的雙重研究2.1擬南越界事件的發生時期雙子葉模式植物擬南芥基因組中存在大量的基因倍增區域,不同的研究者提出了從一次到多次可能發生過的基因倍增事件[14～16]。Lynch和Conery發現多數擬南芥基因的倍增發生在6500萬年前,由此表明擬南芥發生一次基因倍增事件。Blanc等利用蛋白質序列相似性搜索來探測在基因組中的倍增區域,并分析基因倍增發生的年代和鄰接倍增區域的重疊度,結果表明擬南芥至少經歷了兩次截然不同的基因倍增事件:一次是大約發生在比先前估計的年代更久遠的多倍化事件,在擬南芥和蕓苔分化之前,大約地球上出現十字花科的時期(24～40百萬年前);另一次更古老的倍增發生在單子葉和雙子葉植物分化之后。分析擬南芥基因組中一個嚴重退化的倍增區域表明形成這個雙子葉植物模式生物的基因組很可能是三次多倍化事件。研究擬南芥倍增片段發現其中大部分基因丟失,大約有28%的倍增基因保留下來,雖然基因倍增后嚴重的基因丟失減少了擬南芥基因組中的同線性區域,但擬南芥基因組仍然包含大量的倍增染色體片段,以上研究由于采用不同的方法導致基因倍增的年代和規模的不同解釋,在今后研究擬南芥基因組倍增的年代和規模中,運用恰當的方法和新的基因組注釋數據變得更加重要。此外,最近的研究發現,在擬南芥中,伴隨一次基因組倍增事件存留下來的副本基因在接下來的基因倍增中將有大于50%,甚至更大的可能性繼續存留下來,該研究將引發研究者對其他物種基因組是否存在同樣或類似的規律的討論。2.2水稻基因增益水稻具有較小基因組,能更好的理解遺傳和進化問題。早在70多年前便有研究者第一次提出水稻是一個多倍體,但水稻基因組的多倍性起源卻長期沒有證據支撐。2002年水稻基因組測序完成后,有許多文獻報道水稻基因組中存在大量的基因倍增,主要根據水稻基因倍增的年代與范圍的不同來研究水稻的多倍性起源。如表1所示水稻基因倍增研究比較表明:較多的研究趨向于水稻基因倍增年代在70mya,在基因倍增范圍上,隨著基因數據的完善,最近的研究多數也支持水稻的全基因倍增。以上關于水稻基因組倍增的年代和范圍的不同結果,我們仍然認為是由于不同的方法或者數據造成的不同的解釋。3關于母系祖先基因的雙重研究3.1釀酒酵母基因組增重基因倍增在脊椎動物和植物中廣泛存在,其在酵母基因組中的存在狀況成為近年來研究的熱點。事實上,在釀酒酵母基因組中存在大量的副本基因,早在1993年Lalo就發現釀酒酵母染色體II和XIV之間存在大量的倍增現象,該發現為酵母基因組倍增提供了第一個證據。此后更深入和詳盡的研究不斷揭示其基因倍增。Wolfe和Shields研究表明釀酒酵母基因組中的基因倍增與Ohno的全基因組倍增學說一致,并提出釀酒酵母是由一次全基因組倍增產生的退化的四倍體,僅僅有小部分副本基因在基因倍增后保留下來。Seoighe和WoHe通過計算機仿真實驗研究酵母基因組倍增的范圍,釀酒酵母的多數染色體倍增區域被認為是由發生在100百萬年前的全基因組倍增產生,計算機仿真表明8%的原始基因在基因倍增后保留在副本基因中。Achaz等在核酸序列水平上研究釀酒酵母染色體內的倍增,通過尋找每條染色體上較長的近似的重復序列(30～3885bp),發現正向重復和反向重復序列表現出不同的特征:正向重復的兩個拷貝基因比反向重復的基因更長并且更相似;與反向重復序列相比,大量的正向重復序列間隔更小。以上酵母基因組內部序列的比對研究說明了酵母基因組內存在著基因倍增。3.2釀酒酵母的基因組分析近年來,隨著基因數據飛速增長,通過不同物種基因組序列之間的比對來揭示基因組進化成為有力工具,以下綜述由基因組之間比對來研究酵母基因倍增的最新成果。Kellis等將最近定序完成的克魯雄酵母菌Kluyveromyceswaltii的基因組與已被研究多年的模式生物釀酒酵母比對,發現兩者是1∶2對應的同線性關系,即K.waltii基因組的每一區段均對應于釀酒酵母的兩個區段。Kellis等在K.waltii和釀酒酵母的基因組中找尋到253個同線性區域,涵蓋了K.waltii全部基因的75%以及釀酒酵母全部基因的81%,由此認為酵母基因組經歷了全基因組倍增。由于每一K.waltii的基因組區段,在釀酒酵母均有兩個對應區段,則釀酒酵母的基因組大小應為K.waltii兩倍,而基因數目也應為兩倍。事實上兩者基因組的大小和基因數目相差不大,研究認為這個差距是由于大量的基因流失所造成,同線性區域中88%的同源基因流失。Dietrich等完成一種細絲狀子囊菌Ashbygossypii基因組的定序并注釋其所含的基因。A.gossypii基因組的90%可以在釀酒酵母上找到對應區段,而且A.gossypii的一個區段也對應于釀酒酵母的兩個區段,正如前述釀酒酵母與K.waltii的對應關系;而兩個釀酒酵母的區段合并起來,其基因內容與基因順序與A.gossypii的對應區段完全相符。由A.gossypii與釀酒酵母1∶2對應的同線性區域,推斷在兩者分化之前有一個帶有7個或8個染色體的共同先祖。Dujon等選擇了半子囊菌綱內的四種酵母,通過定序其基因組序列及定義其基因,并與釀酒酵母相比較,揭示了酵母的演化過程。由于現在已知的酵母種類超過700種,今后更多種類的酵母會完成基因組定序,整個的演化進程將更為清楚。綜上所述,基因倍增在脊椎動物、植物和酵母基因組中廣泛存在,其在生物進化中的重要性不言而喻。4價格補充4.1基因數量進化的模擬綜上所述,基因倍增現象在生物基因組進化中廣泛存在,基因組經過漫長的進化后變得非常復雜。簡單的模型(如2R假設學說)不能夠解釋其復雜的倍增過程,更精確的模型的研究將成為下一步研究的方向,而目前只有少量文獻報道通過數學模型來研究基因數量進化的情況。Lynch和Conery第一次研究了全基因組中基因倍增和基因丟失的程度,發現倍增年代對應的倍增基因數量關系曲線呈現L形狀,他們提出一個隨機模型來動態刻畫基因數量的增長過程,由此推斷基因倍增和流失的比例。Lynch和Conery提出的模型沒有考慮大規模基因倍增的情況,最近Maere等提出一個能夠模擬基因倍增過程的進化模型,該模型不但考慮到了小規模的串聯倍增事件,也考慮到大規模基因倍增的影響。該模型應用于擬南芥基因組倍增取得了較好的效果,然而由于生物的多樣性,不同基因組倍增過程各不相同,針對不同的基因組對象,需要建立不同的倍增模型,并通過模擬仿真驗證其可靠性。4.2基因組織的功能最近,許多研究者致力于研究倍增基因的進化和功能趨異,而之前也有一些研究者運用數學統計模型來研究功能趨異系數,尋找導致功能趨異的重要位點[31～32]。因為多數基因是基因家族的成員,所以研究倍增基因之間功能的趨異和基因家族中基因的冗余功能具有重要意義。1970年Ohno預測倍增基因的突變會選擇性的中性化,或者將該基因變成沒有功能的假基因,或者將倍增基因變成一個具有新的功能的基因,該學說引起了廣泛的爭論