贾第虫的极端原始性与次生寄生适应性的比较基因组学研究

By studying primitive eukaryotic cells, the origin and evolution of the eukaryotic cell can be explored, and what is more important, it is helpful to understand why the present eukaryotic cells possess so ingenious and complex structures and functions, that is, it would improve our knowledge by from knowing how to knowing why. There are lines of evidence to prove that Giardia is such a kind of valuable primitive unicellular eukaryote. But some authors considered that the so-called primitiveness of Giardia is actually the simplification due to its parasitic degeneration. Based on the achievements of our long study, we propose a hypothesis which requires to be verified: Giardia is a combination of the extreme primitiveness and secondarily parasitic adaptation. Based on genome data, this project is going to compare Giardia with their free-living close relatives, and with other parasitic protozoans living in the similar environment to verify this hypothesis. Mainly checking whether the genes which are involved in the basic structures and functions of the cell but have no relationship with parasitism remain primitive, while those which have close relationship with parasitism of Giardia have undergone secondarily parasitic adaptation such as ‘specialization’ and ‘degeneration’. By carrying out this project, besides understanding the aspect of parasitic adaptation of Giardia, the key position of Giardia in the evolution of eukaryotic cells and its real value for the study in this field would be clarified, which could certainly promote the development of the two important fields.

贾第虫因具一系列 “简单“或”原始”的特征而被认为是最原始真核细胞。但也有认为这些特征应是其寄生生活退化所致。国际上争议颇盛，以致曾一度以该生物为模型的进化研究也陷入停滞。基于前期研究积累，我们认为：贾第虫很可能是分化出来极早的真核生物，后来走上了营寄生生活的演化之路而发生了一些次生的寄生适应性退化。因而现存的贾第虫是“极端原始性”与“次生寄生适应性”的“嵌合体”。本项目拟通过对贾第虫与其近缘的自由生活种类、以及与其寄生在相似环境的原虫之间进行系统的比较基因组学研究来验证该假说。主要检验：1）与寄生生活无直接关系、但为细胞的基本功能活动相关的基因和功能途径（如DNA的复制、转录和翻译系统等）是否仍具原始性；2）与适应寄生直接相关的方面（如组成吸盘的微管、能量代谢系统等）是否发生了寄生适应性“特化”或“退化”。从而甄别该生物在进化生物学研究中的真正价值之所在，推动相关研究领域的突破发展。

贾第虫因具一系列“简单”或“原始”的特征而被一些学者认为是极端原始的真核生物、对于真核细胞的进化研究具重要价值。但也有学者认为这些特征是其营寄生生活退化所致。这两种观点在国际上一直争议不断，以致以该生物为模型的进化研究陷入停滞。基于前期研究积累，我们认为：贾第虫很可能是分化极早的真核生物，后来因营寄生生活而发生了一系列次生寄生适应性变化，因而现存的贾第虫极可能是兼具“极端原始性”与“次生寄生适应性”的“嵌合体”。.本项目正是对这一假说进行全面系统地验证。首先测定了贾第虫的自由生活近亲的基因组，进而开展了贾第虫与它们的比较基因组学研究。基于基因组数据，从多个系统和角度全面深入地对贾第虫的原始性和寄生适应性进行了分析和甄别。发现：1）贾第虫中与寄生生活无直接关系、但与细胞的基本功能活动相关的基因和功能途径（如DNA的复制、转录和翻译系统等）具有其原始性――基于它们的大部分分子系统树中均显示贾第虫及其自由生活近亲位于真核生物的基部；贾第虫的一些功能系统（如DNA复制机器）与其自由生活近亲一样组成简单，提示这些简单性并非寄生退化造成的而是其原始性的体现；2）贾第虫中与适应寄生生活直接相关的方面（如腹侧吸盘组分、能量代谢系统等）发生了明显的寄生适应性“特化”或“退化”：如丢失了需氧代谢的基因；通过水平基因转移的方式从厌氧细菌获得了更好适应厌氧寄生生活的基因；伴随线粒体的退化，一些酶发生亚细胞重新定位等。总之，本项目完全验证了我们的上述假说。该研究结果不仅有助于结束国际上有关贾第虫进化地位的争议，更明确指出了甄别贾第虫上的原始性和次生寄生适应性对于重启该生物在进化生物学和在寄生适应性两方面研究中的重要性。.完成该项目的研究，已在BMC Genomics，Scientific Reports, Parasites & Vectors 等重要期刊上发表SCI论文6篇，培养毕业博士研究生2名。