發(fā)布時間：2017-06-18 11:02

  本文關(guān)鍵詞：扇貝眼睛發(fā)生和視覺功能遺傳基礎(chǔ)的基因組學研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：眼睛是機體最重要的感光器官,曾被達爾文稱作進化中“極端完美的器官”,自然界中眼睛的形態(tài)和種類多種多樣,眼睛的起源進化問題一直是學術(shù)界研究的熱點。對頭部的眼睛起源進化的分子生物學分析發(fā)現(xiàn),雙側(cè)對稱生物頭部眼的發(fā)生是由一個共同的主導基因pax6控制的。然而近期對文昌魚和沙蠶的研究表明非頭部眼的發(fā)育并不依賴pax6。扇貝沒有特化的頭部,其眼睛分布在外套膜上,屬于非頭部眼；扇貝眼睛是鏡面反射眼,是眼睛進化中的一種獨特的形式；其眼睛中有雙層的視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu),分別由脊椎動物型的睫纖毛感光細胞和無脊椎動物型的微絨毛感光細胞組成的,對應(yīng)兩層視網(wǎng)膜的光傳導信號機制的分子組成的了解還有很欠缺。因此,扇貝是眼睛發(fā)育和進化研究的良好材料,對扇貝眼睛的分子生物學研究有助于我們了解非頭部眼的起源進化問題及眼睛視覺形成的遺傳基礎(chǔ)。本研究以蝦夷扇貝(Patinopecten yessoensis, Jay 1857)為研究材料,對其眼睛進行了RNA-Seq轉(zhuǎn)錄組測序,共獲得了825條在眼睛中顯著上調(diào)的基因,這些基因為扇貝眼睛功能的研究提供了豐富的候選資源。差異基因的富集分析發(fā)現(xiàn)扇貝眼睛中富集G蛋白偶聯(lián)受體信號通路,并且還富集了大量G蛋白偶聯(lián)受體,推測這些G蛋白偶聯(lián)受體應(yīng)該是與感知光線相關(guān)的,扇貝基因組中可能有不同種類和拷貝數(shù)的視蛋白基因。眼睛轉(zhuǎn)錄組測序還提供了扇貝眼睛發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子信息,otx和eyg在眼睛中顯著上調(diào)。但雙側(cè)對稱生物眼睛發(fā)育的主導調(diào)控基因pax6在蝦夷扇貝眼睛和外套膜中不表達,暗示了pax6在扇貝的眼睛發(fā)育中可能發(fā)揮不同的作用。對蝦夷扇貝基因組的視蛋白基因的篩查結(jié)果表明,蝦夷扇貝的視蛋白包括4個r-opsin、1個r-opsin like、 2個c-opsin、2個Go-opsin和1個peropsin,其中r-opsin出現(xiàn)顯著的基因擴張現(xiàn)象。在扇貝、牡蠣(Crassostrea gigas)和帽貝(Lottia gigantea)基因組內(nèi)均發(fā)現(xiàn)r-opsin like視蛋白,推測是r-opsin的另一個新的分支。不同的視蛋白亞家族在基因結(jié)構(gòu)上仍保持一定的保守性,蝦夷扇貝擴張的r-opsin基因沒有內(nèi)含子,是通過反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座而產(chǎn)生的基因加倍。蝦夷扇貝光傳導通路呈現(xiàn)出極高的多樣性,不僅Go-opsin和r-opsin偶聯(lián)的光傳導通路基因在眼睛中被激活,c-opsin及其偶聯(lián)的Gi/t-PDE及Gs-AC光傳導通路在眼睛中也有激活的趨勢,推測可能也參與扇貝的視覺功能。蝦夷扇貝基因組內(nèi)存在較為完整且保守的雙側(cè)對稱動物的眼睛相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子基因集,包括pax家族、otx. mitf、rx、 six家族、dac和otd基因。但這些基因的表達模式與以往認識的雙側(cè)對稱生物眼睛發(fā)育模式存在差異。pax6及其下游作用的six 1/2. six3/6、 eya和dac/dach(視網(wǎng)膜決定基因網(wǎng)絡(luò))基因在眼睛中不表達或下調(diào)表達,暗示扇貝眼睛的發(fā)育是pax6非依賴的模式。與之相反,pax2/5/8和six4/5在扇貝眼睛中卻出現(xiàn)上調(diào)。本研究中還構(gòu)建了蝦夷扇貝眼睛的基因共表達網(wǎng)絡(luò)(WGCNA),共得到了13個基因模塊中,其中一個模塊顯著富集了眼睛高表達基因。在這個模塊中,找到了5個眼睛相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子pax2/5/8、 six4/5、brn3、 ovo和lmx 1,并且pax2/5/8、 brn3和lmx1是這個模塊前1%的hub基因�；虮磉_網(wǎng)絡(luò)確證了pax2/5/8在扇貝眼睛發(fā)育中的重要作用,并找到了pax2/5/8、six4/5共表達模式,另外,還發(fā)現(xiàn)了3個與扇貝眼睛發(fā)育相關(guān)的重要轉(zhuǎn)錄因子ovo和lmx1。綜上所述,本研究通過轉(zhuǎn)錄組和基因組的分析,闡明了扇貝眼睛視覺傳導通路的基本組成,揭示了扇貝視覺功能的遺傳機制,通過轉(zhuǎn)錄因子和表達網(wǎng)絡(luò)研究,發(fā)現(xiàn)了扇貝眼睛的發(fā)育與以往認知的pax6依賴型模式不同,是由pax2/5/8主導的,這種發(fā)育模式可能是一種原始的、非頭部眼共有的發(fā)育模式。本研究在基因組層面,對扇貝眼睛發(fā)生和視覺功能的遺傳基礎(chǔ)進行了全面深入的解析,豐富了對扇貝鏡眼在分子生物學領(lǐng)域的認識,同時,也為眼睛起源進化的重要生物學問題提出了新的證據(jù)和思路。
【關(guān)鍵詞】：蝦夷扇貝 眼睛 轉(zhuǎn)錄組 視蛋白 光傳導通路 轉(zhuǎn)錄因子 發(fā)育 基因表達網(wǎng)絡(luò)
【學位授予單位】：中國海洋大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：S917.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 前言14-45
• 第一節(jié) 眼睛形態(tài)類型和進化14-21
• 1 自然界中眼睛的形態(tài)類型14-19
• 1.1 總述14-15
• 1.2 眼睛的類型15-19
• 1.2.1 杯狀眼(cup eye)15-16
• 1.2.2 小孔眼(pinhole eye)16
• 1.2.3 鏡眼(mirror eye)16-17
• 1.2.4 照相機眼/晶狀體眼(camera eye/lens eye)17-18
• 1.2.5 復眼(compound eye)18-19
• 2 眼睛的進化19-21
• 第二節(jié) 眼睛發(fā)生的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子及其信號傳導通路21-29
• 1 眼睛發(fā)生的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子21-24
• 1.1 Orthodenticle-related homeobox(otx)21-22
• 1.2 Paired box(pax)22-23
• 1.3 Retinal homeobox(Rx)23-24
• 1.4 Microphthalmia-associated transcripion factor(mitf)24
• 2 視網(wǎng)膜決定基因網(wǎng)絡(luò)(retinal determination gene network,RDGN)24-29
• 2.1 視網(wǎng)膜決定基因網(wǎng)絡(luò)的主要成員24-28
• 2.1.1 Eyeless/PA X625-26
• 2.1.2 EYA26-27
• 2.1.3 SO/SIX27
• 2.1.4 DAC27-28
• 2.2 果蠅和脊椎動物視網(wǎng)膜決定基因網(wǎng)絡(luò)的保守性28-29
• 第三節(jié) 光感受器及視蛋白的進化29-40
• 1 光感受細胞類型29-31
• 2 視蛋白的家族分類和功能31-37
• 2.1 視蛋白總述31-33
• 2.2 視蛋白的分類和功能33-37
• 2.2.1 Gq偶聯(lián)視蛋白/黑視蛋白亞家族35
• 2.2.2 Encephalopsin/tmt-opsin亞家族35
• 2.2.3 脊椎動物視覺和非視覺視蛋白亞家族35-36
• 2.2.4 Go偶聯(lián)視蛋白亞家族36
• 2.2.5 視黃醛光異構(gòu)酶亞家族36-37
• 2.2.6 Peropsin亞家族37
• 2.2.7 Neuropsin亞家族37
• 3 光傳導信號通路37-40
• 第四節(jié) 扇貝眼睛的結(jié)構(gòu)特征和研究進展40-45
• 1 扇貝眼睛的結(jié)構(gòu)和研究進展40-43
• 1.1 扇貝眼睛的光學結(jié)構(gòu)特征40-41
• 1.2 扇貝雙層視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)及其光信號傳導途徑41-42
• 1.3 扇貝眼睛分子生物學研究進展42-43
• 2 蝦夷扇貝眼睛研究的主要內(nèi)容和意義43-45
• 2.1 蝦夷扇貝的主要社會經(jīng)濟學價值43
• 2.2 扇貝在眼睛起源進化和視覺功能中的研究價值43-44
• 2.3 蝦夷扇貝眼睛遺傳學研究中的組學資源44
• 2.4 本研究的主要內(nèi)容和目的44-45
• 第二章 蝦夷扇貝眼睛轉(zhuǎn)錄組測序和差異基因分析45-57
• 1 材料與方法46-51
• 1.1 扇貝材料46
• 1.2 文庫構(gòu)建與測序46-50
• 1.2.1 總RNA的提取和質(zhì)量檢測46
• 1.2.2 mRNA的提取46-47
• 1.2.3 測序文庫的構(gòu)建47-50
• 1.2.4 測序50
• 1.3 RNASeq測序數(shù)據(jù)預處理和表達譜計算50
• 1.3.1 測序數(shù)據(jù)預處理50
• 1.3.2 表達譜計算50
• 1.4 差異基因分析50-51
• 1.4.1 眼睛特異表達基因的篩選50-51
• 1.4.2 基因功能富集分析51
• 2 結(jié)果與討論51-54
• 2.1 蝦夷扇貝眼睛RNA-Seq測序和表達譜數(shù)據(jù)的計算51-52
• 2.2 蝦夷扇貝眼睛表達譜相關(guān)性分析52-53
• 2.3 蝦夷扇貝眼睛差異基因的篩查和富集分析53-54
• 3 討論54-57
• 3.1 轉(zhuǎn)錄組測序為扇貝眼睛功能研究提供了豐富的資源54-55
• 3.2 眼睛中G蛋白偶聯(lián)受體信號通路的富集及意義55-56
• 3.3 眼睛中特異性表達的轉(zhuǎn)錄因子及其與眼睛發(fā)育的關(guān)系56-57
• 第三章 蝦夷扇貝視蛋白和視覺傳導基因的篩查和表達分析57-77
• 第一節(jié) 蝦夷扇貝視蛋白的系統(tǒng)發(fā)生和進化分析58-74
• 1 材料方法58-59
• 1.1 蝦夷扇貝及其近源物種視蛋白的篩查58
• 1.2 視蛋白系統(tǒng)發(fā)生樹的構(gòu)建58-59
• 1.3 視蛋白基因結(jié)構(gòu)分析59
• 1.4 視蛋白基因表達分析59
• 1.5 視蛋白光譜轉(zhuǎn)化關(guān)鍵氨基酸的分析59
• 2 結(jié)果與分析59-70
• 2.1 蝦夷扇貝、牡蠣和帽貝視蛋白基因的篩查及系統(tǒng)發(fā)生分析59-66
• 2.2 蝦夷扇貝、牡蠣和帽貝視蛋白的基因結(jié)構(gòu)66-67
• 2.3 蝦夷扇貝視蛋白基因的表達67-69
• 2.4 蝦夷扇貝視蛋白光譜轉(zhuǎn)化關(guān)鍵氨基酸的變化69-70
• 3 討論70-74
• 3.1 視蛋白亞家族新分支——r-opsin like視蛋白序列的獲得及其系統(tǒng)發(fā)生地位70
• 3.2 蝦夷扇貝眼睛中表達的視蛋白的種類及可能作用70-71
• 3.3 蝦夷扇貝視蛋白光譜變化特點及與環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)系71-74
• 第二節(jié) 蝦夷扇貝光傳導通路基因的篩查和表達分析74-77
• 1 材料方法74
• 1.1 蝦夷扇貝視覺傳導通路基因的篩查74
• 1.2 蝦夷扇貝視覺傳導通路基因表達量分析74
• 2 結(jié)果74-75
• 2.1 蝦夷扇貝光傳導通路基因的篩查74
• 2.2 蝦夷扇貝眼睛光傳導通路的表達74-75
• 3 討論75-77
• 第四章 蝦夷扇貝眼睛發(fā)生相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子及其表達分析77-93
• 1 材料方法77-78
• 1.1 眼睛發(fā)生相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的篩查77-78
• 1.2 轉(zhuǎn)錄因子的表達分析78
• 2 結(jié)果與分析78-91
• 2.1 蝦夷扇貝Pax家族基因篩查及系統(tǒng)發(fā)生分析78-82
• 2.2 蝦夷扇貝Otx基因篩查及系統(tǒng)發(fā)生分析82-84
• 2.3 蝦夷扇貝Rx基因篩查及系統(tǒng)發(fā)生分析84-85
• 2.4 蝦夷扇貝Mitf基因篩查85-86
• 2.5 視網(wǎng)膜決定基因網(wǎng)絡(luò)基因的篩查86-89
• 2.5.1 蝦夷扇貝Six基因的篩查及系統(tǒng)發(fā)生分析86-88
• 2.5.2 蝦夷扇貝Eya基因篩查88-89
• 2.5.3 蝦夷扇貝Dac基因篩查89
• 2.6 眼睛相關(guān)基因的表達模式89-91
• 3 討論91-93
• 3.1 蝦夷扇貝眼睛發(fā)育相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子基因集的完整性91
• 3.2 轉(zhuǎn)錄因子表達模式暗示的蝦夷扇貝眼睛發(fā)育的潛在機制91-93
• 第五章 蝦夷扇貝眼睛發(fā)生和功能的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究93-102
• 1 材料方法94-95
• 1.1 基因共表達網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建94
• 1.2 眼睛和視覺相關(guān)的基因模塊鑒定和功能分析94-95
• 1.3 眼睛調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的可視化95
• 2 結(jié)果與分析95-99
• 2.1 蝦夷扇貝眼睛的基因共表達網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建95-96
• 2.2 蝦夷扇貝眼睛功能相關(guān)基因模塊的鑒定96-98
• 2.3 眼睛相關(guān)基因網(wǎng)絡(luò)可視化98-99
• 3 討論99-102
• 3.1 基因網(wǎng)絡(luò)在解決模式生物和非模式生物復雜生物學問題中的應(yīng)用與優(yōu)勢99-100
• 3.2 蝦夷扇貝眼睛模塊揭示扇貝眼睛發(fā)育相關(guān)的分子機制100-102
• 第六章 論文創(chuàng)新點總結(jié)102-106
• 1 扇貝眼睛視覺功能的遺傳基礎(chǔ)102-103
• 2 扇貝眼睛發(fā)生的遺傳基礎(chǔ)103-106
• 參考文獻106-122
• 附錄122-148
• 致謝148-149
• 個人簡歷149-150
• 發(fā)表的學術(shù)論文150

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