文昌魚心臟基因調控網絡及內胚層發(fā)育來源主要器官生理功能的生物信息學分析.pdf

1、伴隨著高通量測序技術的飛速發(fā)展,現(xiàn)代系統(tǒng)生物學,尤其是演化生物學逐步從形態(tài)分類學發(fā)展到比較基因組學,促使生物信息學在系統(tǒng)生物學的研究中所發(fā)揮的作用日益重要。本課題以生物信息學工具為主要研究手段,對脊索動物門的心臟起源和文昌魚內胚層來源主要器官的生理功能進行了深入的分析,用生物信息學分析的結果來指導具體的生物學實驗研究。本課題主要通過對目的基因的啟動子及其啟動相關基因的生物信息學預測來闡述基因調控網絡的演化發(fā)展,以核酸和蛋白質序列比對為手

2、段,進行物種間的分子演化分析,并對相關基因的蛋白質進行高級結構預測從而預測相關器官的生理功能:利用生物信息學的預測結果為具體的生物學實驗提供方向性指導。
　　 Nkx2.5,Mef2c,Gata4,Tbx5和Hand1等5基因作為脊椎動物心臟發(fā)育基因調控網絡(GRNs)的核心基因,對心臟發(fā)育的調控作用從圓口綱到哺乳動物十分保守。它們在果蠅中的同源基因(Tinman,Mef2,pannier,Tbx和Hand)在原口動物心臟發(fā)育G

3、RNs中也同樣起到核心調控作用。因此,原口-后口動物共同祖先(LUCA)是否應該具有原始核心調控網絡成為當代演化生物學所面臨的問題之一。本課題以心臟為對象,以文昌魚為脊索動物門基礎干支物種,具體分析了脊索動物門心臟發(fā)育相關的基因調控網絡的演化規(guī)律,在此基礎之上闡述脊椎動物亞門心臟的起源。首先,在JGI中找到五個核心基因上游2000bp作為潛在的啟動子區(qū)域,然后利用PromoterScan預測出可能的啟動子區(qū)域,接著用CONSITE,Tf

4、sitescan Service,TFSEARCH,Cister和JASPAR等數據庫尋找其啟動子區(qū)域的轉錄因子的結合位點,利用BioTapestry構建出文昌魚心臟發(fā)育的核心基因調控網絡,最后與其他已知物種的調控網絡相比較,研究調控網絡在物種演化中的演化。通過分析發(fā)現(xiàn)在文昌魚中這五個核心基因的啟動子區(qū)域并沒有這五個核心轉錄因子的結合位點,也就是說在文昌魚中這五個核心基因不存在轉錄水平上的調控關系。文昌魚中不存在與脊椎動物同源的心臟發(fā)育

5、基因調控網絡,進一步提示心臟不應為原口-后口動物共同祖先應該具有的原始特征。
　　 為了探索頭索動物和脊椎動物內胚層發(fā)育來源器官的生理功能,文昌魚對胰蛋白酶原(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)等胰腺標志性蛋白以及谷丙轉氨酶(GPT)和谷草轉氨酶(GOT)等重要肝臟標

6、志性蛋白進行生物信息學分析,期待得到內胚層發(fā)育來源器官(肝臟和胰腺)的生理功能。由分析結果來看,文昌魚胰蛋白酶原、胰凝乳蛋白酶原和脫氧核糖核酸酶Ⅰ的三維結構與脊椎動物的一致,所具有的生理功能應該和脊椎動物的一致。文昌魚的CPE蛋白與脊椎動物的CPN蛋白結構一致,應該具有脊椎動物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酶,而文昌魚的胰島素(樣)蛋白行使了胰島素生長因子的功能(實驗室前期工作),也從另一個

7、角度說明了文昌魚可能不需要CPE蛋白。鑒于實驗中沒有觀察到文昌魚具有明顯的胰腺組織,加上實驗室前期對文昌魚胰島素(樣)蛋白的研究結果,推測文昌魚可能并不具備內分泌胰腺,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蛋白三維結構結構與脊椎動物的相差太多,不可能具備脊椎動物GPT蛋白的生理功能,而GOT蛋白的三維結構則與脊椎動物的很相近,推測可能具備脊椎動物GOT蛋白的生理功能。結合試驗中沒有在文昌魚中觀察到肝臟組織,推測