文昌魚心臟基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)及內(nèi)胚層發(fā)育來源主要器官生理功能的生物信息學(xué)分析.pdf

1、伴隨著高通量測(cè)序技術(shù)的飛速發(fā)展,現(xiàn)代系統(tǒng)生物學(xué),尤其是演化生物學(xué)逐步從形態(tài)分類學(xué)發(fā)展到比較基因組學(xué),促使生物信息學(xué)在系統(tǒng)生物學(xué)的研究中所發(fā)揮的作用日益重要。本課題以生物信息學(xué)工具為主要研究手段,對(duì)脊索動(dòng)物門的心臟起源和文昌魚內(nèi)胚層來源主要器官的生理功能進(jìn)行了深入的分析,用生物信息學(xué)分析的結(jié)果來指導(dǎo)具體的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。本課題主要通過對(duì)目的基因的啟動(dòng)子及其啟動(dòng)相關(guān)基因的生物信息學(xué)預(yù)測(cè)來闡述基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的演化發(fā)展,以核酸和蛋白質(zhì)序列比對(duì)為手

2、段,進(jìn)行物種間的分子演化分析,并對(duì)相關(guān)基因的蛋白質(zhì)進(jìn)行高級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)從而預(yù)測(cè)相關(guān)器官的生理功能:利用生物信息學(xué)的預(yù)測(cè)結(jié)果為具體的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)提供方向性指導(dǎo)。
　　 Nkx2.5,Mef2c,Gata4,Tbx5和Hand1等5基因作為脊椎動(dòng)物心臟發(fā)育基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)(GRNs)的核心基因,對(duì)心臟發(fā)育的調(diào)控作用從圓口綱到哺乳動(dòng)物十分保守。它們?cè)诠壷械耐椿?Tinman,Mef2,pannier,Tbx和Hand)在原口動(dòng)物心臟發(fā)育G

3、RNs中也同樣起到核心調(diào)控作用。因此,原口-后口動(dòng)物共同祖先(LUCA)是否應(yīng)該具有原始核心調(diào)控網(wǎng)絡(luò)成為當(dāng)代演化生物學(xué)所面臨的問題之一。本課題以心臟為對(duì)象,以文昌魚為脊索動(dòng)物門基礎(chǔ)干支物種,具體分析了脊索動(dòng)物門心臟發(fā)育相關(guān)的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的演化規(guī)律,在此基礎(chǔ)之上闡述脊椎動(dòng)物亞門心臟的起源。首先,在JGI中找到五個(gè)核心基因上游2000bp作為潛在的啟動(dòng)子區(qū)域,然后利用PromoterScan預(yù)測(cè)出可能的啟動(dòng)子區(qū)域,接著用CONSITE,Tf

4、sitescan Service,TFSEARCH,Cister和JASPAR等數(shù)據(jù)庫尋找其啟動(dòng)子區(qū)域的轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn),利用BioTapestry構(gòu)建出文昌魚心臟發(fā)育的核心基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),最后與其他已知物種的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)相比較,研究調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在物種演化中的演化。通過分析發(fā)現(xiàn)在文昌魚中這五個(gè)核心基因的啟動(dòng)子區(qū)域并沒有這五個(gè)核心轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn),也就是說在文昌魚中這五個(gè)核心基因不存在轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控關(guān)系。文昌魚中不存在與脊椎動(dòng)物同源的心臟發(fā)育

5、基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò),進(jìn)一步提示心臟不應(yīng)為原口-后口動(dòng)物共同祖先應(yīng)該具有的原始特征。
　　 為了探索頭索動(dòng)物和脊椎動(dòng)物內(nèi)胚層發(fā)育來源器官的生理功能,文昌魚對(duì)胰蛋白酶原(trypsinogen)、羧肽酶E(carboxypeptidase E)、胰凝乳蛋白酶原(chymotrypsinogen)和脫氧核糖核酸酶Ⅰ(deoxyribonucleaseⅠ,DNASEⅠ)等胰腺標(biāo)志性蛋白以及谷丙轉(zhuǎn)氨酶(GPT)和谷草轉(zhuǎn)氨酶(GOT)等重要肝臟標(biāo)

6、志性蛋白進(jìn)行生物信息學(xué)分析,期待得到內(nèi)胚層發(fā)育來源器官(肝臟和胰腺)的生理功能。由分析結(jié)果來看,文昌魚胰蛋白酶原、胰凝乳蛋白酶原和脫氧核糖核酸酶Ⅰ的三維結(jié)構(gòu)與脊椎動(dòng)物的一致,所具有的生理功能應(yīng)該和脊椎動(dòng)物的一致。文昌魚的CPE蛋白與脊椎動(dòng)物的CPN蛋白結(jié)構(gòu)一致,應(yīng)該具有脊椎動(dòng)物CPN的功能。CPE蛋白是胰島素前體水解成胰島素和C肽的過程中不可缺少的一個(gè)酶,而文昌魚的胰島素(樣)蛋白行使了胰島素生長(zhǎng)因子的功能(實(shí)驗(yàn)室前期工作),也從另一個(gè)

7、角度說明了文昌魚可能不需要CPE蛋白。鑒于實(shí)驗(yàn)中沒有觀察到文昌魚具有明顯的胰腺組織,加上實(shí)驗(yàn)室前期對(duì)文昌魚胰島素(樣)蛋白的研究結(jié)果,推測(cè)文昌魚可能并不具備內(nèi)分泌胰腺,其外分泌胰腺的部分生理功能也可能是由腸道來代替的。文昌魚的GPT蛋白三維結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與脊椎動(dòng)物的相差太多,不可能具備脊椎動(dòng)物GPT蛋白的生理功能,而GOT蛋白的三維結(jié)構(gòu)則與脊椎動(dòng)物的很相近,推測(cè)可能具備脊椎動(dòng)物GOT蛋白的生理功能。結(jié)合試驗(yàn)中沒有在文昌魚中觀察到肝臟組織,推測(cè)