利用从头合成起源新基因研究基因网络的起源与适应性进化机制

De novo origination of new genes is traditionally considered to be a very rare process; however this is a process that is now attracting greater attention. We identified previously 60 human specific de novo-originated protein coding genes, many of which demonstrated high expression levels in the cerebral cortex and testes. It suggests that they may have interactions with other genes to generate new networks, which influence some adaptive traits unique to human. This project will choose 6 new genes with high expression levels in the cerebral cortex, and study their biological functions and regulatory networks to see whether they play roles in some pathways responsible for brain development. We will search for de novo-originated protein coding genes in the mouse and Drosophila melanogaster genomes, to study the rate and universality of de novo origination. The project tends to explore how to study the mechanism of human adaptive evolution, the origin of multi-gene interaction, and the origin of gene network based on the de novo-originated new genes.

新基因从头合成起源一直被认为是很少发生的，但近期却引起人们的关注与重视。我们前期工作挖掘到60个人类特异的从头合成起源蛋白编码新基因，它们很多在大脑皮层与睾丸中表达很高，很可能已经与其它基因发生相互作用，形成新的网络途径，影响人类一些特异的适应性性状。本课题拟从中挑选在大脑皮层中表达较高的6个新基因，研究它们的生物功能和调控网络，分析它们是否参与重要的大脑发育调控途径。挖掘小鼠与黑腹果蝇基因组中的从头合成起源新基因，评估从头合成起源的普遍程度、产生速率。 探索如何利用从头合成起源新基因研究人类适应性进化的机制，多基因相互作用形成机制，以及基因网络的起源。

在本项目支持下，我们提出新基因从头合成起源获得功能的模型。利用RNA-sequencing技术获得了人类不同大脑区域的转录组数据, 分析了人类新起源基因的表达特征。解析出其它低等动物如果蝇基因组中的新基因，阐述新基因在胚胎发育过程中的重要作用。解析出爪蟾基因组中的新基因，发现新基因在胚胎发育过程midblastula transition (MBT) 时期后出现偏好高表达，提出动物新基因起源的新的源泉。获得拟南芥中的新起源基因，发现拟南芥中的新基因在成熟花粉中显著偏好表达，提出植物基因组中新基因产生的“Out of pollen hypothesis”假说。本项目的发现对新基因的研究有重要意义，对新基因起源和进化的理论做出重要贡献。