真核生物基因保守性的系统分析与功能研究

The conservation status of genes can provide important reference information for the genes' functional studies as well as researches on species evolution and neofunctionalization. Although the complete genome sequences of increasing numbers of species have been made available, systematic analysis of gene conservativity from evolutionary lower species to higher species is still lacking. The project will take the annotated protein sequences of 14 plant species and 12 animal species to analyze their conservativity as well as their participated regulatory pathways and biological functions throughout evolution, to identify genes, pathways and biological functions that are conserved within certain scope of evolutionary distance, and to performed in-depth studies on the functions of 3-5 genes in terms of their roles in determining the specific features between monocot and dicot plants. Findings of this project will provide systematic classifications of eukaryotic genes according to their degrees of evolutionary conservativity, be valuable for the better understanding of the relationships between the conservation status of genes and their functions, and to identify genes with essential roles in the regulation of basal biological activities and speciation related functions.

基因的进化保守性是研究基因功能的重要参照信息，也对于物种进化及物种间功能特化研究具有重要指导意义。尽管目前越来越多物种的基因组全序列的测序工作已经完成，但却缺少基因在低等至高等生物中进化保守情况的系统分析。本项目拟选取处于进化不同阶段的14个植物物种和12动物物种基因组，对其注释的蛋白序列的保守性及其参与的调控通路和生物功能进行系统比较分析，从而发现在不同进化尺度范围内高度保守和物种特异的基因、调控通路和生物功能，并利用实验深入研究3-5个参与决定单、双子叶植物差异的基因的功能。这些研究成果将系统地对真核生物基因按照其进化保守情况进行分类，有助于更好地了解基因保守性与功能的关系，并发现新的参与基本生命活动或物种特化生物功能调控的重要基因。

依据研究计划，本项目主要开展了后生动物尤其是人类与啮齿类动物间基因的保守性与特异性分析。尽管各种生物的基因组在发布时均进行了基因的进化保守性分析，但由于之前获得全基因组的物种有限，并不能系统准确地发现物种或谱系特异的基因。并且之前关于基因保守性与特异性的研究多关注进化方面的特征，在功能分析方面还不够深入。. 本研究中我们系统鉴定了人类蛋白编码基因在处于不同进化分支的其他20种后生动物基因组中的保守性，将人类蛋白编码基因按照进化保守性进行了分类。我们发现进化中序列保守的基因主要富集基础生命调控相关的功能，如转录与转录调控、蛋白定位与水解等。我们鉴定了72个在测试物种中序列高度保守的基因，发现这些基因在参与复合物形成或生物过程中的作用比同类型中的其他基因起着更加主导的作用。如组成核小体的核心组蛋白H2A、H2B、H3和H4的序列在进化过程中都是保守的，但序列保守程度更高的组蛋白H3和H4在核小体组装过程中起着更加重要的作用；约87%与表观遗传修饰过程相关的基因都是进化中序列保守的基因，说明表观遗传修饰在后生动物进化早期已经开始发挥重要的调控功能。. 我们发现部分谱系特异基因的功能与谱系特异的性状相关，一些谱系特异基因已经在相应的信号通路或疾病发生过程中发挥重要的作用，如p53信号通路中参与细胞凋亡的灵长目特异基因TP53AIP1。在持家基因和必需基因列表中，约85%的基因都是序列保守的基因，15%是谱系特异基因，说明部分谱系特异基因对维持细胞正常状态也十分必要。我们发现与人类基因组相比，模式生物大鼠和小鼠基因组缺失的基因主要与疾病或免疫相关，如具有抑癌功能的KLLN基因和在癌细胞中异常表达的PBOV1、COLCA1、DEC1、DLEU1、DLEU2L、PRAC1基因，以及43个CTA（cancer/testis antigen）家族的成员等，这些人类蛋白编码基因在大鼠和小鼠中都缺失同源性序列。这些研究为解析基因的新功能和物种间差异提供了新的线索，并且对于研究人员如何选择模式生物进行研究具有重要的提示作用。