酵母全基因组重复后基因网络结构微进化的研究

Whole genome duplication (WGD) is important mechanism in genetic evolution which drives the genome to become more complicated than ever before. Duplicate gene copies supply opportunities not only for birth of new genes but also phenotypic diversity of polyploidy organisms. After a WGD event, genome sequence and transcription of polyploidy organisms undergo rapid changes. Because genes and their products play roles in biological processes as components of complicate biological systems, overall effect of the rapid changes are recognized as the evolution of biological networks. The biological network evolutions of polyploidy organisms are the origin of rapid phenotypic changes and genetic adaption. In this research plan, we propose to create homogeneous and heterogeneous polyploidy yeast clones and culture the clones in thousands of generations under different experimental conditions. By focusing on the "evolutionary plasticity" during the investigation for micro-evolution of polyploidy clones, we expect to understand the rapid evolution after WGD events and further verify our hypothesis about self-definition feature of the biological network evolution. Our work will supply new theories for microevolution after WGD events and further reveal the principles of the biological network evolution. Due to the important roles of yeast in ethanol fermentation, our work will also be interest to the fermentation industry.

全基因组重复是驱动基因组从简单向复杂进化的重要机制。冗余的基因拷贝为新功能基因的诞生提供素材，为生物表型多样性提供遗传物质基础。因为全基因组重复带来遗传巨变，多倍化新个体经历基因组序列、结构、转录水平上的快速变异。这些快速变异相互作用，体现为生物网络的微进化，是多倍化个体变异的源头和快速适应环境的基础。本项目通过原生质体融合获得酵母的同源和异源多倍化克隆，结合人工诱变和不同培养条件下的长期连续传代，促使多倍化克隆对各种不同生长条件产生快速适应。我们调查多倍化克隆在持续传代过程中的基因序列和表达变化，了解这些快速变化影响表型进化的机理。通过从生物网络结构的角度考察这些快速变化的遗传学后果，力图揭示影响网络结构进化的因素，丰富生物网络微进化的有关理论，发现生物网络微进化影响表型快速进化的原理与法则。本研究不仅有助于进化理论的进一步发展与完善，并且对工业发酵中酵母遗传育种具有现实指导意义。

全基因组重复是驱动基因组从简单向复杂进化的重要机制。冗余的基因拷贝为新功能基因的诞生提供素材，为生物表型多样性提供遗传物质基础。因为全基因组重复带来遗传巨变，多倍化新个体经历基因组序列、结构、转录水平上的快速变异。本项目通过遗传工程手段获得克鲁维酵母的多倍化克隆（1N，2N，3N，和4N），我们观察到多倍体细胞在细胞形态、出芽方式、生长状态等等各方面与单倍体细胞存在很大差异。通过进一步观察不同倍性的克隆在各种人工环境胁迫条件下的表现，我们发现了人工多倍体菌株在选择压力下出现基因组不稳定的现象。经过RNA测序进行表达差异分析，我们发现染色体倍性的改变带来了有机酸代谢通路基因及细胞周期调控相关基因的系统性表达改变。研究还发现，持续的乙醇压力可以有效提高克鲁维酵母的乙醇耐受能力，但基因组深度测序显示这种能力提高并非来源于基因组序列的变化，而是由于基因表达的大规模重编程。基因表达分析显示这种全局性的变化涉及细胞膜完整性，渗透压调节，过氧化物清除，和乙醇分解代谢等众多生物学通路。为深入理解酵母基因的系统性的表达调控，我们用状态空间方法分析构建了可以用于表征超出90%数据方差的线性系统模型。研究中确定了模型中状态变量的个数及构建了观测方程表述状态变量与基因表达的关系。该线性系统模型可以用于对多倍化导致的基因表达变化的进一步分析探索。项目在两年的执行期内进展顺利，已发表生物工程领域一区期刊一篇，在投一篇，另有多篇论文撰写中。承担课题工作的一名博士后顺利出站，参与课题工作的4名博士研究生和2名硕士研究生顺利毕业。