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周琦实验室在Molecular Biology and Evolution报道新基因在其生命周期中调控方式的动态演化史 [来源]:ZJU News          [作者]:           [日期]:2018-11-08          [访问次数]:390    

       2018年11月3日,浙江大学生命科学研究院周琦团队在Molecular Biology and Evolution杂志在线发表题为“On the regulatory evolution of new genes throughout their life history“的文章,刻画了演化过程中物种特有的新基因是如何通过不同种类和程度的组蛋白修饰和获取新的调控序列,以逐步由组织特异性的年轻基因转变为具有重要功能的持家基因的过程。

       物种之间巨大的基因数目差异显示在漫长的演化历程中,基因的产生与衰亡是一个永恒的循环。基因像人类一样经历着生老病死,并参与推动着生命个体适应环境并逐步演化。以往的研究已清晰地绘制出一幅关于新基因的宏观图谱:将新基因如何起源、产生的机制、进化的速率及对不同物种的表型进化影响清晰地呈现在人们面前。然而,关于新基因如何在全基因组水平上分化出与其祖先基因不同的表达模式,来融入甚至改变已存在的功能网络,人们缺乏在不同演化时间尺度上的认识。本研究以黑腹果蝇与人类的不同年龄的新基因集作为研究对象,通过基因组学手段大规模分析不同组织时期的83个转录组,281个表观遗传组学数据,来解析推动新基因演化的调控机制。

       本研究发现,新基因与其祖先基因在动态生活史中存在明显的表达差异:首先,在人类和果蝇中都发现,新基因随年龄增长逐渐摆脱睾丸特异的表达模式、偏向向持家基因方向的演化,称为新基因“逃离睾丸”(out of the testis)的演化规律。而祖先基因则不表现出这一规律(图1,A/B)。其次,新基因在早期胚胎发育阶段,尤其是母本-子代转换过程(maternal-zygotic transition, MZT)中表现出特异性的表达,证明新基因已经进化出重要的发育功能。(图2)

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       图1:果蝇与人类新基因在演化上的总体表现。Testis-specificity:睾丸组织里的表达特异;House-keeping:持家基因比例;新基因的年龄从F至A,或者M至A年龄递增。可以看出新基因的睾丸表达特异性在人类和果蝇中随年龄而递减,而持家基因比例随年龄递增

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       图2:基因在早期胚胎发育过程中的表达水平及模式。A热图表示新基因或者其祖先基因在早期胚胎发育过程中不同时期的表达水平,在母体-子代转移时期(MZT),大量新基因出现特征性的启动。B图表示新基因和祖先基因在果蝇胚胎中的不同表达位置信息,显示新基因与祖先基因的表达模式产生了差异

 

       再次,新基因之所以会形成与祖先基因的不同表达模式,是由它们之间差异的组蛋白修饰驱动:新基因相对于其祖先基因受到更强的H3K27me3修饰而抑制其在一般组织中的表达。而且,在不同的发育阶段与组织中,新基因和祖先基因都表现出染色质修饰状态随着它们基因存在年龄的变化。最后,在顺式调控元件(如增强子)的进化上,新基因也呈现出与亲本基因的明显区别, 新基因通常会招募组织特异性的增强子。总体来说,本研究勾勒出果蝇和人类新基因在它们演化生命周期中的调控演化的轨迹、揭示了新基因调控机制演化的一般规律。

       周琦团队2018届已毕业硕士研究生张佳钰为本文第一作者,一人独立完成了所有分析工作,周琦导师为本文通讯作者。本项目受到国家自然科学基金委面上项目和优秀青年项目(31722050, 31671319),浙江大学生命科学研究院启动经费、浙江大学校长专项等的支持。

 

       原文链接:https://doi.org/10.1093/molbev/msy206

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