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减数分裂是真核生物有性繁殖所必需的一种细胞分裂过程。在减数分裂过程中,同源染色体分离,非同源染色体自由组合,从而产生染色体数目减半且遗传组合多样的配子。雌雄配子受精结合,既可以恢复到亲本的染色体数目,保证遗传物质的相对稳定,又可以产生个体间的遗传差异,增加生物多样性。减数分裂过程中有许多关键事件,如同源染色体的识别、配对、重组、联会和分离等。虽然人们已经在细胞学、遗传学和分子生物学等方面对减数分裂有了较为深入的研究,对参与减数分裂关键事件的基因及基因间的调控机制也有了一定的认识,但是,对参与减数分裂不同关键事件的基因进化式样研究较少,没有理清真核生物减数分裂基因的起源和进化历史,也没有一个专门针对减数分裂的数据库来整合各种相关研究数据。 本研究在广泛收集减数分裂相关研究文献的基础上,整理了减数分裂研究的多方面数据,汇总了多个物种中目前已知功能的减数分裂基因,并在真核生物中比较了不同减数分裂基因的进化式样,同时在数据整理和分析的基础上,搭建了一个专门针对减数分裂的综合数据库,即MeioBase。主要结果如下: 1、减数分裂研究数据的整理。通过关键词搜索,本研究筛选出56种期刊中的6922篇减数分裂相关研究文献,经过人工阅读,归类整理了不同类型的研究数据。本研究整理出拟南芥(Arabidopsis thaliana)、水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)、秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)、小鼠(Mus musculus)、酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)和裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)等7个物种中功能已知的减数分裂基因共483个,其中拟南芥88个、水稻32个、玉米8个、秀丽隐杆线虫178个、小鼠10个、酿酒酵母162个、裂殖酵母5个,并且按照基因的功能和主要参与的关键事件,将这些基因进行归类整理。在此基础上,还收集了这些基因的ID、CDS和蛋白序列、特征结构域、基因表达数据、蛋白互作数据、基因功能描述、GO分类信息和参考文献等多种信息。 2、减数分裂基因进化式样的研究。本研究以拟南芥中功能已知的88个减数分裂基因为起点,在真核生物中的11个物种中搜索同源基因,根据结构域分析和系统发育关系,初步推断这些基因分属于57个基因家族。系统发育分析结果表明这88个拟南芥减数分裂基因分属于81个独立的支系,其中55个支系在真核生物的最近共同祖先中就已存在,而其余的26个支系则是植物特有的支系,说明减数分裂过程的基本核心事件在真核生物起源的早期阶段就已经形成。基因拷贝数目变化分析结果表明不同支系的进化式样存在较大差异,有的支系极为保守,在11个物种中一直保持一个拷贝,有的则经历了较为频繁的基因获得和丢失事件。本研究还发现结构蛋白和酶类比较保守,而调节蛋白拷贝数目变化比较频繁,说明减数分裂基因的进化式样与其所行使的功能密切相关。对Cyclin基因家族的分析表明减数分裂特异性的Cyclin基因分属不同支系,为多次独立起源,其中SDS这一植物特有的减数分裂基因在进化过程中较为保守,拷贝数目变化较少。 3、减数分裂数据库的建立。在整合与分析减数分裂数据的基础上,我们构建了“减数分裂数据库(MeioBase)”的主体框架,数据主要来源于减数分裂相关研究文献、已有的公共数据库资源和相关研究人员提交的数据等。我们基于LAMP技术搭建了数据库的服务器,在MySQL数据库中设计了44张关联数据库表来存储本数据库中的各类信息,设计并编写了减数分裂数据库的所有网页。按照模块功能和展示数据的类型,本数据库主要分为资源(Resources)和工具(Tools)两部分,其中Resources部分包括Cytology、Pathway、Species、Interaction、Expression、Links、Project、News、Notice和Help等模块,Tools部分则包括Search、Download、Blast、Comparison、My Favorites、Submission和Advice等模块。目前本数据库已在线运行,网址为:http://meiosis.ibcas.ac.cn,用户可在线搜索、浏览、比较和下载本数据库中的数据。 总之,本研究梳理了减数分裂相关研究的原始文献和已有数据库中的减数分裂数据,整理了不同物种中减数分裂研究的主要进展;比较了参与减数分裂不同关键事件的基因进化式样的异同,探讨了减数分裂在真核生物不同类群之间的共性和特性;构建了减数分裂数据库。这些研究结果为探讨真核生物减数分裂基因的起源和演化提供新的线索,为减数分裂相关研究人员搭建了高效的信息查询与交流平台,对相关基因的功能和进化研究起到推动作用,也为普及减数分裂知识、提升人们对减数分裂及相关研究成果的认识开辟了新的渠道。