逆基因中内含子的鉴定与分析

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逆转录转座,也叫做基于RNA的重复,指成熟的mRNAs分子重新插入基因组中新的位置的过程。通过逆转录转座过程产生的逆基因一般不携带启动子或者增强子,但是通过一些偶然的机会,它们可以招募新的调控因子,成为真正有功能的逆基因。一般认为,逆基因不包含内含子,因为逆转录转座机制决定了它们不可能从对应的母基因中将内含子序列继承下来。因而,人们认为基因组中包含内含子的逆基因是稀少的。一些逆基因与宿主基因融合形成嵌合基因,通过临近的外显子序列和宿主基因的影响,新产生的嵌合基因可能在非翻译区获得内含子。另外,一些逆基因通过内部外显子内含子化(intronization)获得新的内含子。  从人类CDY逆基因的外显子内含子化事件第一次被报道,类似的进化事件在植物中也被陆续报道。例如,在拟南芥和杨树中,人们观察到29个逆基因经历了外显子内含子化,它们占已报道的总逆基因的15.3%。然而,哺乳动物中外显子内含子化事件却相当的稀少。2010年Szcze?niak等人在对人类基因的研究中证实哺乳动物的逆基因也可以获得新的内含子,他们在研究中发现RNF113B基因由于碱基突变形成了新的内含子,并且它对应的母基因在人类基因组中已经丢失,并且这个基因经历了两次逆转录转座事件。同时,他们发现在基因 DCAF12L2中,包含了两个独立的外显子内含子化事件,其中一个内含子在灵长类和啮齿类动物的共同祖先已经存在,另外一个内含子为啮齿类动物特有。  虽然哺乳动物中逆基因获得内含子事件发生的频率很低,但是人类基因组中具有三千多个逆基因,所以可以在基因组水平上,通过扫描人类全基因组的来寻找外显子内含子化的事件。本研究主要结果如下:  本研究利用已经报道的方法系统的搜寻了人类全基因组的逆基因,共发现了3436个逆基因。利用ENSEMBL的注释和一系列的自行编写的perl程序,寻找到了54个逆基因内含子化的候选基因。为了鉴定逆基因确实获得了新的内含子,通过UCSC基因组数据库对上述54个逆基因内含子化的候选基因收集信息,最后鉴定到9个有内含子的逆基因。  通过对鉴定的9个有内含子的逆基因与其对应的母基因进行序列比对和分析,结果发现这些逆基因通过三种不同机制获得了内含子。  ①第一类是基因组中的外源序列反插到逆基因中形成新的内含子。本研究只发现RPS3AP5这个逆基因一个实例,并且这种逆基因内含子获得机制是在本研究中第一次发现和报道。  ②第二类内含子获得机制是逆基因与母基因的转录方向相反。由于逆基因转录方向的改变使潜在的内含子剪接位点被激活,从而产生新的内含子。本研究发现三个逆基因(XXyac-R12DG2.2,CSMD3和WBP2NL)符合该内含子获得机制。  ③第三类内含子获得机制是外显子内含子化。之前的报道认为,外显子序列中的个别碱基突变产生了内含子的剪接位点:GT和AG,然后这个片段被剪接体识别而形成新的内含子,这是外显子内含子化的一种情况。本文中报道5个逆基因通过内含子化共获得10个新的内含子,大部分(8个)都产生于编码区,剩余的两个内含子产生于非编码区。它们的外显子内含子化不是通过碱基突变产生的,而是通过激活潜在的内含子剪接位点而产生的内含子。这些逆基因中潜在的内含子剪接位点在对应的母基因中可能由于母基因本身内含子的剪接位点信号很强而被沉默掉,但在逆基因中由于其不包含对应母基因的内含子而使这类剪接位点被激活,使得其对应的外显子部分发生内含子化,形成新的内含子。  由于内含子化产生的内含子绝大多数(10个内含子中的8个)为不引起移码的内含子(non-frameshift intron),也称之为非框架漂移的内含子。本文通过对该现象进行研究,表明不引起移码的内含子在进化中具有更大的优势。  通过对内含子化产生新内含子的5个逆基因进行进一步的年龄的分析,发现这5个基因中有4个是灵长类动物特有的基因,占了总数的80%。另外还重新计算由嵌合产生新内含子的逆基因的起源时间,发现通过嵌合机制产生内含子的逆基因中只有18.5%(5/27)是灵长类特异的。以上研究表明内含子化更倾向于发生在相对年轻的逆基因中。通过嵌合产生内含子的逆基因中有37%的是从X染色体中逃离出来的,而本文中内含子化的逆基因不是从 X染色体逃离出来的。先前研究表明从X染色体逃离的逆基因大部分是比较年老的,它们一般产生于真哺乳亚纲哺乳动物与有袋哺乳动物发生分化时。这进一步说明内含子化一般容易发生在年轻的逆基因中。  计算表明大部分内含子化逆基因的外显子区域的Ka/Ks值都小于1(P-value<0.1),表明这些区域经历了负选择作用。之前的五个内含子化逆基因中的三个基因有蛋白质水平的表达证据,另外两个有RNA水平的表达证据。这些结果暗示大部分逆基因是具有功能的。  通过本研究,可以发现逆基因中内含子的获得事件并非之前想象的那样偶然和稀少,并且逆基因中内含子的产生机制也很丰富;还可以发现人类基因组中通过内含子化产生新的内含子的逆基因相对而言是比较年轻的,这与之前线虫中的研究结果完全一致。同时,本研究结果也为内含子进化模式的研究提供了新的见解。
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