论文部分内容阅读
伴随着高通量测序技术的飞速发展,现代系统生物学,尤其是演化生物学逐步从形态分类学发展到比较基因组学,促使生物信息学在系统生物学的研究中所发挥的作用日益重要。本课题以生物信息学工具为主要研究手段,对脊索动物门的心脏起源和文昌鱼内胚层来源主要器官的生理功能进行了深入的分析,用生物信息学分析的结果来指导具体的生物学实验研究。本课题主要通过对目的基因的启动子及其启动相关基因的生物信息学预测来阐述基因调控网络的演化发展,以核酸和蛋白质序列比对为手段,进行物种间的分子演化分析,并对相关基因的蛋白质进行高级结构预测从而预测相关器官的生理功能:利用生物信息学的预测结果为具体的生物学实验提供方向性指导。
Nkx2.5,Mef2c,Gata4,Tbx5和Hand1等5基因作为脊椎动物心脏发育基因调控网络(GRNs)的核心基因,对心脏发育的调控作用从圆口纲到哺乳动物十分保守。它们在果蝇中的同源基因(Tinman,Mef2,pannier,Tbx和Hand)在原口动物心脏发育GRNs中也同样起到核心调控作用。因此,原口-后口动物共同祖先(LUCA)是否应该具有原始核心调控网络成为当代演化生物学所面临的问题之一。本课题以心脏为对象,以文昌鱼为脊索动物门基础干支物种,具体分析了脊索动物门心脏发育相关的基因调控网络的演化规律,在此基础之上阐述脊椎动物亚门心脏的起源。首先,在JGI中找到五个核心基因上游2000bp作为潜在的启动子区域,然后利用PromoterScan预测出可能的启动子区域,接着用CONSITE,Tfsitescan Service,TFSEARCH,Cister和JASPAR等数据库寻找其启动子区域的转录因子的结合位点,利用BioTapestry构建出文昌鱼心脏发育的核心基因调控网络,最后与其他已知物种的调控网络相比较,研究调控网络在物种演化中的演化。通过分析发现在文昌鱼中这五个核心基因的启动子区域并没有这五个核心转录因子的结合位点,也就是说在文昌鱼中这五个核心基因不存在转录水平上的调控关系。文昌鱼中不存在与脊椎动物同源的心脏发育基因调控网络,进一步提示心脏不应为原口-后口动物共同祖先应该具有的原始特征。
为了探索头索动物和脊椎动物内胚层发育来源器官的生理功能,文昌鱼对胰蛋白酶原(trypsinogen)、羧肽酶E(carboxypeptidase E)、胰凝乳蛋白酶原(chymotrypsinogen)和脱氧核糖核酸酶Ⅰ(deoxyribonucleaseⅠ,DNASEⅠ)等胰腺标志性蛋白以及谷丙转氨酶(GPT)和谷草转氨酶(GOT)等重要肝脏标志性蛋白进行生物信息学分析,期待得到内胚层发育来源器官(肝脏和胰腺)的生理功能。由分析结果来看,文昌鱼胰蛋白酶原、胰凝乳蛋白酶原和脱氧核糖核酸酶Ⅰ的三维结构与脊椎动物的一致,所具有的生理功能应该和脊椎动物的一致。文昌鱼的CPE蛋白与脊椎动物的CPN蛋白结构一致,应该具有脊椎动物CPN的功能。CPE蛋白是胰岛素前体水解成胰岛素和C肽的过程中不可缺少的一个酶,而文昌鱼的胰岛素(样)蛋白行使了胰岛素生长因子的功能(实验室前期工作),也从另一个角度说明了文昌鱼可能不需要CPE蛋白。鉴于实验中没有观察到文昌鱼具有明显的胰腺组织,加上实验室前期对文昌鱼胰岛素(样)蛋白的研究结果,推测文昌鱼可能并不具备内分泌胰腺,其外分泌胰腺的部分生理功能也可能是由肠道来代替的。文昌鱼的GPT蛋白三维结构结构与脊椎动物的相差太多,不可能具备脊椎动物GPT蛋白的生理功能,而GOT蛋白的三维结构则与脊椎动物的很相近,推测可能具备脊椎动物GOT蛋白的生理功能。结合试验中没有在文昌鱼中观察到肝脏组织,推测文昌鱼可能不具有独立的行驶肝脏功能的器官。