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云南大学于黎课题组在《自然·遗传学》发表金丝猴高海拔适应遗传机制研究

2016-07-16 21:37 云南大学于黎课题组 云南大学 阅读 0
核心摘要: 云南大学于黎课题组联合多家机构,对金丝猴属物种高海拔环境适应的遗传机制进行了深入研究。通过对滇金丝猴进行de novo测序及比较基因组分析,发现DNA修复和氧化磷酸化相关基因显著扩张。进一步对多个金丝猴物种进行全基因组重测序,鉴定出与肺功能、DNA修复和血管生成相关的共有氨基酸替换,并通过功能实验验证了突变对紫外线抵抗和血管生成的增强作用。该研究为高海拔适应提供了新的遗传机制见解,成果发表于Nature Genetics。

金丝猴属(Rhinopithecus)属于灵长目、猴科、疣猴亚科,包括5个近缘物种:滇金丝猴(R. bieti)、怒江金丝猴(R. strykeri)、川金丝猴(R. roxellana)、黔金丝猴(R. brelichia)和越南金丝猴(R. avunculus)。所有物种均被列为世界自然保护联盟(IUCN)红色名录濒危物种。除了重要的保护生物学价值外,金丝猴属物种不仅发展出以树叶为食的特化食性,而且占据了从低海拔到高海拔的生境类型(800-4500米)。黔金丝猴和越南金丝猴分别生活在中国贵州和越南北部的低地山区,而滇金丝猴、川金丝猴和怒江金丝猴则生活在西藏和中国中部不同的高海拔区域。尤其是滇金丝猴,目前仅存于我国滇藏交界的高寒森林中,海拔高度均在4000米左右,是除人类外世界海拔分布最高的灵长类动物。金丝猴属物种为研究动物对高海拔环境适应性进化的遗传机制提供了极佳的动物模型。近年来,基因组学特别是进化基因组学的发展,为系统和整体地揭示自然选择的遗传机制提供了前所未有的机会。

云南大学云南生物资源保护与利用国家重点实验室于黎研究员课题组、云南大学名誉校长及中国科学院昆明动物研究所张亚平院士课题组、中国科学院昆明动物研究所陈勇斌课题组、芝加哥大学吴仲义教授课题组以及北京基因组研究所强强联合,成立联合攻关团队,对金丝猴属物种高海拔环境适应的遗传机制开展了深入研究。首先,利用二代Illumina HiSeq2000测序平台,对一只滇金丝猴进行de novo测序,并与其他哺乳动物的比较基因组分析显示:滇金丝猴中显著扩张的基因家族中的基因显著富集在DNA修复和氧化磷酸化过程。此外,对滇金丝猴和猕猴多个组织进行RNA测序和比较转录组分析显示:能量代谢相关组织(心脏和肌肉)中高表达基因在物种间的组织比物种内不同组织之间表现出更大的相似性,而且高表达基因富集在与氧化磷酸化和心脏肌肉收缩相关的通路中。

接下来,对同属的黔金丝猴、怒江金丝猴和越南金丝猴各一个个体进行全基因组重测序,并结合已发表的川金丝猴de novo基因组,通过比较基因组学分析,在三个高海拔金丝猴物种(滇金丝猴、怒江金丝猴和川金丝猴)中发现6个基因中的8个共有氨基酸替换。这些基因与肺功能、DNA修复和血管生成相关。对其中与DNA修复相关的CDT1基因进行紫外辐照实验,结果表明突变型相对于野生型具有更强的稳定性,推测该突变有助于金丝猴在高海拔环境中抵抗紫外线辐射。对与血管生成相关的RNASE4基因检测发现,突变型在诱导HUVEC细胞生成管状结构方面具有更高活性,推测该突变可能增强RNASE4的血管生成能力,有助于金丝猴适应高海拔环境。最后,对滇金丝猴一个群体(20个个体)和川金丝猴三个群体(26个个体)进行基因组扫描,发现了群体之间的重叠和各群体特异的受选择基因,这些基因与DNA修复、心脏和血管发育、缺氧反应、能量代谢和血管生成相关。

本研究基于多层次分析,包括种上和群体的基因组序列分析、转录组和功能实验,揭示了与金丝猴物种适应高海拔环境相关的遗传机制。以非人灵长类为研究模型,为高海拔适应这一复杂性状提供了新的、更全面的认识。该研究结果于2016年7月11日在线发表于《自然·遗传学》(Nature Genetics),论文标题为“Genomic analysis of snub-nosed monkeys (Rhinopithecus) identifies genes and processes related to high-altitude adaptation”,DOI: 10.1038/ng.3615。

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