人工驯化作用下家犬苦味受体基因家族的进化动态和功能研究

The genetic basis and mechanism of domestic animals influenced by domestication is one of the major theme in evolutionary biology studies. Based on previous work, we propose a new hypothesis that bitter taste receptor (Tas2R) gene family in domestic dogs underwent relaxed purifying selection after domestication, thus the ability to sense certain bitter substances in dog would reduce, comparing to that in its wild ancestral species (gray wolf). We are going to validate this hypothesis by combining both theoretical and experimental studies. Theoretically, we aim to demonstrate the evolutionary fate and patterns of bitter taste receptor gene family in domestic dogs and gray wolves, respectively. We combine methods and analyses of population genetics and evolutionary genomics to reach the goal. Experimentally, we test the function for each Tas2R family member in a well established functional assay to accumulate solid functional evidence. All these data will be integrated to illustrate the mechanism and rules of Tas2R functional change under the influence of domestication events. Upon the accomplishment of this project, we expect to comprehensively understand the evolutioanry fate and genetic mechanism of Tas2Rs in domestic dogs. Furthermore, the study provides new molecular evidence to extend knowledge on Tas2R evolution in mammals.

家养动物人工驯化遗传机制是进化生物学中的热点问题之一。在本项目中，基于前期的工作基础，我们提出一个新的科学假设：在人工驯化条件下，家犬的苦味受体基因家族将受到放松的纯净化选择；家犬对某些苦味物质的敏感度将较其野生祖先物种（灰狼）减弱。我们将通过理论和实验两个方面的研究来验证这个科学假设。首先，我们拟通过群体遗传学和进化基因组学手段，从理论上比较该基因家族在家犬和灰狼中的进化模式，阐述其在人工驯化过程中的命运。其次，我们将从功能实验上验证以上理论结果，并进一步探讨在人工驯化过程中，家犬对某些苦味物质的敏感度减弱的机制和规律。这个科学假设的验证不仅能够全面阐述家犬的苦味受体基因家族在人工驯化下的命运及遗传机制；而且以人工驯化为切入点揭示该基因家族在群体水平的进化模式和规律，为我们进一步完善先前提出的该基因家族在哺乳动物中的进化规律和模式提供新的分子证据。

在本项目中，我们以家犬在人工驯化条件下的食性变化为切入点，研究苦味受体基因家族（Tas2R gene family）在家犬及其祖先物种（灰狼）中的分子进化及功能改变。通过群体遗传学及进化基因组学手段，我们发现相较于灰狼而言，家犬中苦味受体基因呈现更高的核苷酸多样度，提示在人工驯养条件下这些基因可能经历了放松的选择压力。功能验证实验发现，家犬dTas2R14基因的17个单倍型中有4个对相应的苦味物质丧失了反应能力，而这些无反应单倍型在灰狼中的频率远低于其在家犬中的频率，且呈现灰狼<中国土狗<欧洲家犬 的趋势，与家犬的起源和迁移路线一致，提示着在家犬驯化过程中苦味基因经历了选择压力逐步放松的过程，很可能与人工驯化后家犬的食物来源由自然觅食转变为接受人类食物残渣有关。我们进一步鉴定出氨基酸S91N的变化是造成dTas2R14功能丧失的主要因素，而M175I和F185S的改变也会影响其识别相应苦味物质的敏感性，为深入理解家犬识别苦味物质的分子机制奠定了基础。.为了验证食性与苦味受体基因的关系，我们进一步研究了不同食性的野生哺乳动物中Tas2R基因的进化与功能，发现食肉目中苦味受体基因的数目最少，且大部分属于相对保守的“一对一”直系同源基因。而在灵长目中，从类人猿下目共同祖先到人科动物共同祖先 Tas2R 基因家族成员数量呈现一个逐 渐增多的过程，并且在类人猿下目共同祖先枝和狭鼻下目共同祖先枝上都检测到了极显著的正选择信号（P<0.001）,提示这些基因可能发生了适应性进化。功能实验的结果也证实了在灵长类从原始猴到人的进化过程中，苦味受体的感知功能出现逐步增强趋势。而对“一对一”直系同源基因的功能演化模式研究发现，劳亚兽总目中Tas2R38 较祖先而言产生了新功能，三维结构预测显示其与新配体的结合与TM3相关，功能实验亦证实了TM3与新配体的识别紧密相关。.综上，我们的研究提示在人工驯化条件下苦味受体可能经历了选择压力放松，功能有所减弱，根本原因可能还是与食物组成紧密相关。而在野生哺乳动物中，Tas2R基因的进化显得更加复杂，既有原功能的丧失，也有新功能的产生。我们的结果揭示了其中一种新配体的识别与TM3密切相关，为加深对Tas2R功能演化模式的认识奠定了部分基础。