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双翅目昆虫体表刚毛是昆虫外周神经系统的一部分,同时也是研究动物表型进化发育的优秀表型标记,其发育和调控过程已经研究的十分清楚。Achaete-scute complex是调控双翅目昆虫神经和刚毛发育最为关键的基因簇,它通过特异性的时空表达诱导神经元前体细胞的发育,从而诱导双翅目昆虫体表刚毛的发育。虽然已经有大量的报道研究了Achaete-scute complex在昆虫中的功能,但是这些基因在双翅目昆虫间的功能进化,乃至在哺乳动物中的功能进化则鲜有报道。本研究的基本思路是利用果蝇作为模式动物的优势,一方面通过突变,过表达,荧光素酶分析等手段研究Achaete-scute complex在哺乳动物中的同源基因的功能进化,及其对哺乳动物表型的潜在影响;另一方面通过蛋白质组,突变过表达,CRISPR-Cas9等技术对双翅目昆虫Achaete-scute complex蛋白质翻译后修饰进行鉴定和功能验证,进一步挖掘蛋白质翻译后修饰在动物表型进化过程中的作用。主要结果如下:(1)比对了37种哺乳动物的Achaete-scute complex同源基因(ASH),发现ASH1进化速率较慢,ASH2-5拥有较快的进化速率。ASH1,2与ASH3-5分别由不同的祖先基因进化而来。(2)在果蝇中过表达哺乳动物ASH1基因,发现哺乳动物ASH1基因在进化中功能保守,维持与果蝇ASH基因类似的功能。(3)通过荧光素酶分析,鉴定了哺乳动物ASH1基因的调控元件,发现哺乳动物ASH1调控元件与果蝇类似,受到GATA转录因子的调控。(4)在果蝇中过表达哺乳动物ASH4基因,发现小鼠ASH4丧失了原神经功能无法诱导刚毛发生,而人类ASH4则反而会抑制刚毛发育。进一步研究发现,这种功能缺失是由于哺乳动物ASH4缺失C端酸性结构域所导致的。(5)通过生物信息学分析,在双翅目昆虫scute基因螺旋-环-螺旋结构域下游发现了一系列多聚丝氨酸磷酸化位点。这些丝氨酸磷酸化位点与双翅目昆虫背板粗刚毛数量呈正相关。进一步利用翻译后修饰蛋白质组进行质谱分析后,确定了这些磷酸化位点的活性。突变这些并过表达这些磷酸化位点后,我们发现只有cdc2介导的磷酸化位点在双翅目昆虫刚毛发育过程中起调控作用,并且这种调控作用具有剂量效应。而PKC介导的磷酸化位点则不参与刚毛发育调控。(6)利用CRISPR-Cas9技术将果蝇scute基因中的磷酸化位点序列替换为家蝇序列后,果蝇背板刚毛模式趋近于家蝇的刚毛模式,同时这种表型影响只存在于背板中部区域的粗刚毛中。综上所述,本研究研究了哺乳动物achaete-scute complex同源基因的功能及进化机制,探讨了哺乳动物ASH基因间的进化及其与哺乳动物毛发发育间的潜在联系。另一方面,本研究首次揭示了蛋白质翻译后修饰在动物表型进化中的作用,为蛋白质翻译后修饰的进化发育研究提供了理论和实验基础。