硬骨魚基因組文章解讀

研究背景

硬骨魚類種類極其多，包含了大部分的脊椎動物物種。這些硬骨魚展示了大量的基因和表型的多樣性，其中就包括免疫機制的多樣性。大西洋鱘魚MHC classII的基因大量缺失，伴隨著的是MHC class I的基因大量增多。但是問題是這些class II的基因相對於class I基因的擴張的時間和作用機制尚不清除。儘管MHC基因都已經很好的了解了，但是MHC拷貝數的變化的原因也不為人知，MHC基因數的增多會使機體更容易檢測外來病原體，但是會是T細胞的免疫效應降低。所以MHC基因的拷貝數應是根據外界環境來調整以達到平衡。通常已適應不同環境的兩種硬骨魚雜交會產生低適應性的個體。這篇文章通過宏觀比較76個硬骨魚種類，來研究MHC拷貝數與進化和適應性的關係。

測序材料

文章中研究人員對66個硬骨魚代表種類進行了低深度（9-39×)的測序，這些魚類是由不同的博物館和收集愛好者手中獲得，也有一部分是當地漁夫手中購得，測序平台為Illumina HiSeq 2000平台。

測序方法

文章先採用一個測序的優化手段，即採用插入片段大小(220-800 bp)三種不同插入片段大小，對不同深度(2-20×)的文庫進行了測序並組裝，構建出一個假的基因組，通過隨機抽樣來決定一個最佳插入片段大小(500bp)和最佳深度(15×)。然後在此基礎上進行建庫和測序，並組裝了66個基因組。

研究結果

１.基因組組裝結果

通過Celera組裝軟體對66個基因組進行了組裝，得到Scaffold N50在3.2kb到71kb之間。對於大部分物種來說，組裝結果是比較完整的，覆蓋了75%CEGMA基因和74%的BUSCO基因。

2.硬骨魚基因組範圍的種系發展史

文章通過選取斑馬魚發表的33,737個基因（ENSEMBL v78.)，在10個硬骨魚代表物種中進行同源片段的比對，通過外顯子進行篩選和過濾,並將這些外顯子與硬骨魚對應基因的tblastn得分進行計算得出一個相似性的閾值。通過這個閾值在66個物種中篩選出同源外顯子區域，最後從111個基因中得到567個同源外顯子片段。將這些片段通過Bayesian模型建樹得到66個物種的進化關係(圖１)。通過對進化關係的研究確定了鱘形目，海魴目，擬鱸目等幾個分支單一起源的進化地位，並確認了鞭尾魚是鱘形目最為現存最相近的的物種，並於85百萬年前分化，在鱘形目中，尖尾犀鱘最先於70百萬年前分化。

圖1.關於76個魚類物種的時間校正進化關係圖

3. MHC II通路基因丟失和MHC I拷貝數變異

文章通過BLAST軟體和對ORF的預測及注釋，找出27個MHC I和MHC II家族扮演核心功能的基因，並利用斑馬魚和10個硬骨魚類代表物種，找出了這些基因在其他物種中的同源基因(圖2)，並建立了進化關係。研究結果發現鱘型目的MHC II家族通路相關的基因丟失。MHC I家族基因通過原始數據比對到MHC I家族的兩個分支（U和Z-蛋白結合域）。經過研究發現，鱘型目的MHC I家族基因的拷貝數是其他魚類的MHC I家族基因個數的15倍。並通過Hox基因驗證了拷貝數預測的準確性。兩個假設被提了出來：1. MHC II家族的基因丟失是由於先天原因導致機體不足以保存MHC II基因。2.B. cantori中MHC I U分支的缺失和無異常拷貝數表明MHC I家族的擴張晚發生與MHC II家族的丟失。

圖2. MHC家族核心基因（左：進化樹，中：關鍵基因，右：拷貝數）

4. MHC I家族拷貝數變化差異和分化速率分析

文章通過比較系統發生學方法(MCMC-based reversible-jump Bayesian)展示了MHC I家族基因拷貝數的變化與系統進化的關係（圖3）。結果表明MHC基因之間的平衡是一個由緩慢的過程達到，平衡的模式也由於布朗運動，白噪音等等因素影響而不盡相同。因此表明，MHC基因之間的平衡是由於檢測和消除病原體之間功能的交換而達到。鱘型目包含616種現存物種，如此多的物種表明這些魚類的MHC拷貝數變化和物種分化的速率可能存在關係，通過比較MHC I拷貝數和分化速率的趨勢，發現當拷貝數達到20-25的時候有最大的分化速率，MHC I拷貝數的影響也只對MHC I拷貝數大於20的有影響。

圖3MHC class I 拷貝數進化及分化速率分析

總結討論

文章中對66個硬骨魚進行了基因組測序和組裝，提供了一個前所未有的比較基因組基礎。本文通過這些基因組信息，發掘了關鍵免疫基因的進化歷史，展示了MHC家族基因組成成分的變化，並揭示了這些變化對分化速率的影響。

參考文獻

Malmstr?m, M., Matschiner, M., T?rresen, O. K., Star, B., Snipen, L. G., & Hansen, T. F., et al. (2016). Evolution of the immune system influences speciation rates in teleost fishes.Nature Genetics.

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