科研動態

水生所揭示多倍體魚類中多個重復的Foxl2部分同源基因和等位基因的功能歧化

  111日,中國科學院水生生物研究所桂建芳院士團隊在Molecular Biology and Evolution在線發表了題為“Functional Divergence of Multiple Duplicated Foxl2 Homeologs and Alleles in A Recurrent Polyploid Fish”的論文。 

  基因組多倍化為物種新基因和新性狀的形成提供了有利機會,是物種演化的主要驅動力之一。一般來說,多倍化的結果導致了生物的復雜性、可變性和多樣性,特別是增強了其短期的適應性潛能和長期的可演化性。新形成的多倍體在經歷“基因組休克(genomic shock的融合作用后,發生一系列復雜的、非孟德爾的基因組變化來突破不穩定的瓶頸,對基因組進行改組和重建,演化形成了多倍體或二倍化了的新物種。在異源多倍化過程中,源于兩個物種的重復基因演變為部分同源基因(homeolog);在同源多倍化過程中,重復基因演變成等位基因(allele)。盡管多倍體中重復基因的演化命運已進行了較多研究,但對具有復雜基因組的復發多倍體重復基因的功能歧化還知之甚少。 

  擁有150多條染色體的六倍體銀鯽,在其演化歷程中已被揭示發生了兩輪多倍化事件:一次早期的異源四倍化和一次近期的同源三倍化。有趣的是,六倍體銀鯽獲得了單性雌核生殖能力,能夠產生全雌性子代。桂建芳院士團隊在前期發現Forkhead boxFox)蛋白家族的foxl2afoxl2b以接力的互作方式調控斑馬魚卵巢的發育和維持(Yang et al., Genetics, 2017, 205:1551-1572.)的基礎上,以foxl2為靶基因,試圖在六倍體銀鯽中追蹤其多個重復的部分同源基因及其等位基因的功能歧化及其對卵巢發育的調控機制。 

  他們首先發現六倍體銀鯽具有3個歧化的foxl2部分同源基因(Cgfoxl2a-BCgfoxl2b-A Cgfoxl2b-B),它們又各自具有3個序列高度一致的等位基因,而Cgfoxl2a-A在演化過程中已經丟失。Cgfoxl2a-BCgfoxl2b-A Cgfoxl2b-B均在生殖內分泌軸下丘腦-垂體-性腺呈現兩性差異表達,且部分同源基因和等位基因都表現出偏向表達。CgFoxl2aCgFoxl2b具有截然不同的細胞定位,除了在卵巢顆粒細胞和鞘細胞中表達外,CgFoxl2b還分布在原始生殖細胞和卵原細胞的核周。接著,他們采用CRISPR/Cas9技術分別或同時對這多個foxl2部分同源基因或等位基因進行編輯以損毀它們的功能,發現CgFoxl2a-B的缺失會以劑量依賴的方式導致卵巢發育停滯或性反轉為雄性個體,且含有完整FKH結構域的Cgfoxl2a-B突變等位基因仍能激活Cgcyp19a1a-A 的表達;完全敲除Cgfoxl2b-A Cgfoxl2b-B 將導致不產生配子,盡管突變體中Cgfoxl2a-B的表達上調,但不能挽救缺陷表型;同時敲除Cgfoxl2a-BCgfoxl2b-A Cgfoxl2b-B 導致產生更嚴重的缺陷表型。 

  上述的結果表明,Cgfoxl2a-BCgfoxl2b-A Cgfoxl2b-B發生了亞功能化,協同調控銀鯽的濾泡發生和卵巢發育;同時Cgfoxl2b-A Cgfoxl2b-B演化出新功能,調控配子發生。此外,他們還利用特異的CgFoxl2aCgFoxl2b抗體追蹤了銀鯽顆粒細胞和鞘細胞的完整發育命運,鑒定出三類鞘細胞。他們的研究幾乎涵蓋了所有復雜的重復基因演化命運,包括部分同源基因或等位基因多樣化、保留或丟失、偏向表達,亞功能或新功能化。盡管此前已有對這些演化命運的理論假設和單個案例的報道,但該研究以一個基因為例,詳細地闡述了幾乎所有的重復基因的演化機制。 

  該研究主要由博士研究生甘瑞海等人完成,通訊作者為桂建芳院士和周莉研究員。研究得到國家重點研發計劃項目(批準號:2018YFD0900204)、中國科學院前沿科學重點研究項目(批準號:QYZDY-SSW-SMC025)和國家大宗淡水魚產業技術體系(批準號:CARS-45-07)等項目的支持。 

  論文鏈接: https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msab002/6081021 

 

  銀鯽卵巢濾泡形成過程(A)以及Cgfoxl2aCgfoxl2b協同調控濾泡和配子發生(B)的示意圖 

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