嗜热四膜虫有性生殖和无性生殖突变率差异的分子机理和群体遗传学研究

Focusing on the question that the mutation rate of sexual reproduction is much higher than that of asexual reproduction in the unicellular eukaryotic model organism -- Tetrahymena thermophila, considering its advantages (with germline micronucleus, MIC and somatic macronucleus, MAC in one cell; and sexual and asexual stages during its life cycle), we sequence the Mic and Mac genomes during continuous stages of its life cycle, and develop coalescent based population genetic models and simulation algorithms for Tetrahymena to estimate the mutation rate at different stages, and identify the specific sexual stage arising high mutation rate and study the molecular evolution of involved genes in this stage, and then reveal the molecular mechanism of high mutation rate of sexual reproduction, finally discuss the possible driving force of mutation rate on the adaptative advantage of sexual reproduction and the evolution of reproduction. The completion of project will open new field of Tetrahymena population genetics, and complement and improve the theory of reproduction evolution, and develop the fundamental biology of Tetrahymena, and use for reference to study the evolution of cell lineage (including tumour and cancer cells) within human individual.

针对我们在单细胞真核模式生物嗜热四膜虫中发现的有性生殖突变率显著高于无性生殖突变率的结果，本项目利用其一个细胞中同时具有germline小核和somatic大核、生活史中同时存在有性生殖和无性生殖的特点，运用实验进化基因组学的研究方法，对嗜热四膜虫生活史不同阶段的大、小核基因组进行高通量的重测序，在发展和建立适合四膜虫的溯祖理论和统计方法的基础上，测定和计算嗜热四膜虫生活史各阶段的突变量和突变率，鉴定有性生殖高突变率产生的具体阶段并对相关过程中关键基因进行结构和功能进化分析，进而阐明有性生殖高突变率的分子机理，探讨突变率在有性生殖适应性优势和生殖方式进化中的驱动作用。项目的开展将开辟四膜虫群体遗传学研究新领域，将是对现有生殖进化理论的重要补充和完善，将推动四膜虫基础生物学的发展，也将对研究人类个体内细胞谱系的演化（包括肿瘤和癌细胞演变）具有借鉴价值。

针对我们在单细胞真核模式生物嗜热四膜虫中发现的有性生殖突变率显著高于无性生殖突变率的结果，本项目进一步对有性种群生活史突变高发的具体阶段及突变对有性生殖适应性优势的贡献开展了深入研究。利用嗜热四膜虫一个细胞中同时具有germline小核和somatic大核、生活史中同时存在有性生殖和无性生殖的特点，运用实验进化基因组学的研究方法，对嗜热四膜虫生活史不同阶段的大、小核基因组进行高通量的重测序，在发展和建立适合四膜虫的群体遗传学模型和统计方法的基础上，测定和计算嗜热四膜虫生活史各阶段的突变，本项目取得的重要结果包括：1）建立了高效的有性后代纯化及利用显微操作技术分离四膜虫单个大、小核的方法；2）建立了基于单细胞基因组重测序检测四膜虫突变及其可靠性评估的生信分析方法；3）发现生活史有性生殖阶段产生的突变数量显著多于性成熟无性生殖阶段，而无性生殖阶段大核和小核产生的突变数量均无显著差异；4）对有性种群在有性生殖阶段检测到的突变进行功能实验，发现其中一些突变可导致后代种群生长速率明显加快，说明有性生殖阶段带来的大量突变能够为后代种群的适应性优势提供重要的遗传基础；5）构建了研究四膜虫种群交配型组成规律的群体遗传学模型，结果显示种群交配型组成在不同参数组合下表现出两种模式即所有交配型共存或只有单一交配型被固定，模型预测结果与实验数据高度吻合；6）建立了研究四膜虫大核无丝分裂过程染色体复制和分配机制的理论模型，发现大核染色体复制时仅以其中5条为模板进行多轮复制，核分裂时复制产物与模板倾向于进入同一子代大核。项目所取得的成果进一步丰富和完善了现有生殖进化和性比进化的相关理论，开辟了四膜虫群体遗传学研究新领域，同时也极大地推动了四膜虫基础生物学的发展。