基于全基因组正选择揭示回声定位动物的进化机制

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表型趋同对人类有着极大的吸引力,尤其在回声定位方面。蝙蝠和鲸鱼是我们最为熟悉的利用回声定位比较娴熟的两个典型代表。通过计算发射的声波和返回的声波的时间差异,蝙蝠和鲸鱼可以详细地勾勒出前方目标物体的立体效果图。回声定位被动物们用于导航、捕猎、定位和交流。人类中也有利用回声定位的,除了盲人用来导航外,人们利用回声定位的原理可以进行一系列活动,比如制造雷达以监视敌情、躲避障碍物,搜索海上资源等。到目前为止,已经有许多和回声定位有关的研究,其中近几年的分子生物学研究尤为火热。有许多基因被证明在回声定位动物中发生了趋同进化,比如Cdh23,Pcdh15,Prestin,KCNQ4,Otof Tmc1和Pjvk。在这些基因中,大部分基因在声音传递的过程中起着至关重要的作用。然而,这些基因的查找都是搜索人耳在声音传递过程中可能引起耳聋的基因,缺乏全基因组范围内系统的定位,或者说定位在某一类或几类相关性最大的通路。Joe Parker等运用全基因数据找出了将回声定位动物聚到一个分支的所有的可能基因,但是这些基因鱼龙混杂,也没有定位在某个通路。因此在本文中,我们首先利用TreeFam筛选出了准确度较高的直系同源基因,为后续分析打下了坚实的基础。然后比较了回声定位动物和非回声定位动物之间的正选择基因的Ka/Ks值,从整体上解释了物种的适应性进化。接着,对回声定位/非回声定位蝙蝠和鲸鱼分别利用枝点模型求其正选择基因,并对这些正选择基因进行功能富集。在回声定位动物中正选择基因的富集结果表明,这些基因主要富集在神经系统和钙离子通道相关的目录,在非回声动物中没有富集在钙离子通道目录。为了保证正确性,我们选取了更多回声定位/非回声定位的蝙蝠和鲸鱼作正选择分析,结果和前者一样。紧接着,我们对钙离子通道相关基因逐一筛选,发现ATP2B2出现了趋同进化位点的倾向。最后,我们对各个物种分支祖先的基因家族进行扩张和收缩分析,发现回声/非回声定位动物的区别同样在钙离子相关目录。以上分析结果说明,在回声定位动物的声音传递过程中,钙离子起着不可替代的作用;同时他们拥有发达的大脑,来处理返回来的各种信息。这些都对回声定位能力的形成有一定的影响,同时验证了声音的传递机制。
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