以原生动物扇形游仆虫为模式的大小核基因组重组模式及机制研究

Genome evolution in ciliates has to be interpreted in light of their dual genomes, the presence of both germline and somatic genomes within each cell. During sexual conjugation, the macronucleus is transformed through a series of chromosomal rearrangements, including fragmentation, elimination of internal excised sequences, and amplification. The processes and mechanisms of chromosomal rearrangements during macronuclear development are quite diverse, both within a given ciliate species as well as among different ciliates. Studies about the processes and mechanisms can enhance views on the dynamic nature of eukaryotic genomes and add to the growing information on genome evolution. The current problem is that studies on ciliate genome rearrangements are still in the early stage, and are focusing on only a handful of low differentiated species. It is urgent to carry out more in-depth researches on genome rearrangements and the related mechanisms, especially in the highly differentiated species. This project focuses on the highly differentiated euplotids, Euplotes vannus, using the combination of analyses of high throughput sequencing, bioinformatics and traditional molecular methods. We aim to: 1) reveal the genome rearrangement patterns, e.g. the chromosomal breakage sites, pointer sequences, the relationships between macronucleus destined sequences and internal eliminated sequences, gene copy numbers, etc.; 2) explore the mechanisms of genome rearrangements in Euplotes, e.g. deletion of internal eliminated sequences, reorganization of the macronucleus destined sequences, etc.; 3) develop E. vannus into a new model organism, including optimizing the methods for inducing conjugation, revealing the detailed morphology during conjugation, and defining the related regulatory genes. This project will provide insights for further studies of genetic regulatory mechanisms in ciliates and make people to better understand the genome origin and evolution of the whole eukaryotes.

纤毛虫因独特的两型核结构而成为研究DNA重组最为理想的模式之一。围绕此过程和机理的研究对于了解物种形成和分化、基因组进化及遗传调控机制等科学问题均具有重要的学术意义和价值。目前在全球范围内有关此过程与机理的研究仍在起步和探索阶段，大量未知问题等待解答。本项目拟以纤毛虫的重要代表——扇形游仆虫为材料，利用高通量测序、组学分析和分子生物学手段等开展下列研究：1）刻画纤毛虫大小核基因组的重组模式，包括染色体断裂位点及接头序列特征、内部切除序列与大核注定序列的关系、基因倍性特征等；2）揭示纤毛虫大小核基因组的重组机制，包括内部切除序列的删除、大核基因的重排等机制；3）优化接合生殖的诱导条件，揭示其生活史中大小核的变化及过程、界定相关的调控基因。该工作将为新的模式材料构建、深入研究纤毛虫遗传调控机制以及物种分化与形成奠定基础，也将加深人们对整个真核生物基因组起源和进化的认识。

基因重组作为生物进化的重要驱动力，在真核生物中广泛存在，也是遗传学、细胞生物学、进化生物学等领域的研究热点。纤毛虫原生动物因独特的两型核结构和有性生殖过程中全基因组范围的DNA重组而成为研究基因重组最为理想的模式之一。本项目开展4年来，以海洋纤毛虫扇形游仆虫为材料，利用高通量测序、生物信息学分析、分子生物学等手段对其大小核基因组重组模式及机制进行了探究，主要内容包括：1）解析了游仆虫的基因重组模式，包括构建了海洋游仆类高质量的大核基因组数据库，解析出>25000条完整染色体；通过单细胞扩增技术获得了其部分小核基因组数据，并通过大小核基因组比较刻画了其较为保守的染色体断裂位点(CBS)及两侧的回文序列，表明CBS被复制并保留在大核基因组中；刻画了大核保留序列、内部删除序列和接头序列的序列特征；约4%的基因在小核基因组中存在基因乱序现象，7%的基因存在选择性拼接现象等；2）初步探究了游仆虫基因重组的分子机制，包括完成了其生活史各时期的小RNA、长非编码RNA、mRNA的测序和分析；刻画了有性生殖期间特异性转录产生的30nt小RNA特征，用以保护大核序列；母本大核基因组编码链转录生成的长非编码RNA可能作为模版参与指导DNA的重排；参与基因组重排的基因在有性生殖期内显著上调，大多在合子核形成前达到峰值，多个同源基因分别在不同时期发挥功能；3）在此基础上，初步构建了海洋纤毛虫模式体系，包括完成了扇形游仆虫9个交配型的分离、建库；刻画了游仆虫的完整生活史过程，包括细胞核发育过程和纤毛发生过程；首次构建了海洋游仆类高质量的大核基因组数据库并绘制了不同发育时期的转录和蛋白质图谱，优化了基因模型；初步建立了扇形游仆虫的基因敲降及转基因技术等。该工作将为解答真核生物基因重组、物种形成和分化等基础生物学命题奠定了重要基础。以上成果发表国际主流刊物13篇。同期完成成果还包括参加国际/国内会议27人次，培养毕业博士生4人，硕士生1人等。