东亚钳蝎基因组揭示独特的节肢动物适应模型

武汉大学、中国科学院武汉病毒研究所李文鑫教授合作中国科学院上海生命科学院植物生理生态研究所李轩研究员,对东亚钳蝎的基因组序列进行深入研究,发现包含32016个蛋白质编码基因。虽然东亚钳蝎似乎进化保守,但它有一个比昆虫更大的的基因家族,经历了不同的形态学及生理学变化表明分子的解耦和蝎子的形态学变化。基因组和转录组分析进一步说明捕食,夜间活动行为,喂养和解毒相关的重要的遗传特性。东亚钳蝎基因组揭示了一个独特的节肢动物的适应模型,提供它遗传性基础的新见解。该成果发表在201310月的《Nature Communications》杂志上。

基因组的特性和转录组分析

使用流式细胞仪分析研究人员评估东亚钳蝎大小在1323.73±39.12MB范围的基因组。用全基因组鸟枪法对东亚钳蝎基因组进行测序,生成了大约248×覆盖率的原始序列reads。为注释东亚钳蝎的基因组,对混合组织样品和毒液组织样品进行深入的转录组分析,分别获得了5.53 和 4.52GbRNA-seq数据。东亚钳蝎编码区域的GC含量为42.7%,整个基因组的GC含量为29.6%。与T. urticae相比,东亚钳蝎的总基因数显著增长而基因密度下降。东亚钳蝎和T. urticae分别是每Mb 205个和35.8个基因。

比较基因组学和进化论

用最大似然法和邻接法对17个物种的CEGMA 核心基因的220个直系同源构建系统发育树。东亚钳蝎与T. urticae组合在一起形成了蛛形纲动物进化枝。与和它关系更近的T. urticae相比,东亚钳蝎与D. pulex分享更多的家族。这可以被解释为T. urticae世系比D. pulex世系丢失更多的共有基因(图 1a)。通过系统发育分析对代表性物种进行增益分析图 1b显示了每一个物种的,总基因家族(黑色),基因家族的增加(+)和损耗(-)(紫色),以及孤儿基因(蓝色)。

图 1

共享性扩张和特定家系基因家族

东亚钳蝎家系的进化过程中基因的复制由所有旁系同源对的同义距离(Ks)评估。(图 2a)显示了在东亚钳蝎,T. urticae 和 D. pulex.基因旁系同源物中沉默点(Ks) 的两两基因频率差异。比对上的氨基酸大于70和密度大于70%的基因对的Ks值通过codeml PAML软件包计算。东亚钳蝎的共享家族表现出以一个相对稳定的速度开始早期扩张(图 2b)。(图 2c)显示了共享的基因家族和东亚钳蝎特定家系基因家族的大小分布。

图 2

蛇毒神经毒素的基因多样性及其受体

东亚钳蝎基因组共有116个神经毒素基因,在17个支架上的集群上发现51个神经毒素基因,在每一个集群中衔接着相同家族的重复基因,类似的基因结构在东亚钳蝎的防御素基因位点中发现,展示一个平行于神经毒素基因的进化轨迹(图 3a)。在NCBInr数据库搜索蝎子神经毒素的同系物,发现除了蝎子其他物种都没有。表明蝎子毒素基因在家系中独立进化。对东亚钳蝎的神经毒素和防御素的起源和进化关系进行分层聚类,NaTx基因为1组,KTxClTx和防御素基因为2组,NaTx首先与KTxClTx和防御素基因的共同的始祖偏移,随后多元化,形成独立的家族(图 3b)。编码东亚钳蝎K+ 通道的两个新基因MmKv1和 MmKv2都是在过滤区域的关键性残基之一,在HEK293细胞中表达来形成功能性K+ 通道,它们对蝎子毒液和卡律蝎毒素(Chtx)不敏感。(图 3c)展示了MmKv1, MmKv2对蝎子毒液的抵抗力,毒液对MmKv1的抑制作用大约为100-fold,比对mKv1.3的小,对MmKv2没有抑制作用。(图 3d) 展示了MmKv1,MmKv2对蝎子毒液ChTX的抑制作用。1 mM ChTX抑制20% MmKv1的活性,对MmKv2没有抑制作用,然而1nM ChTX抑制60% mKv1.3的活性,ChTXMmKv1的抑制作用为1000-fold,比对mKv1.3的小。

图 3

蝎子尾巴感光功能的遗传基础

为理解蝎子尾巴感光性的遗传基础,研究人员关注涉及感光与光信号转导的基因。(图 4a)展示了蝎子尾巴感光信号转导的通路。Mmopsin1, Mmopsin2和 Mmopsin3这三种视蛋白基因的同系物的表达由转录组数据揭示和由定量PCR量化。而这三个都表达在前体(头,包含的眼睛),只有Mmopsin3在尾巴表达(图 4b)。缺乏专门的视觉结构眼睛,蝎子的尾巴代表一个原始感光器官通过上皮细胞接收光信号并且通过接触神经树突然后传输到大脑产生电生理反应。蝎子的眼睛和尾巴似乎分歧在光敏功能。系统发育分析显示Mmopsin3Hydra magnipapillata的视蛋白形成了进化枝,而Mmopsin1Mmopsin2 与昆虫和脊椎动物的视紫红质膜接近。这些数据表明 Mmopsin3代表一个在进化过程中眼睛的形态发生之前,视蛋白被原始非视觉系统广泛利用的古老形式(图 4c)。Mmopsin3似乎也是短波敏感性视蛋白家族的一员 (紫外线到蓝色),然而Mmopsin1Mmopsin2都属于长波敏感性家族(图 4d)。Mmopsin3光谱的偏移与先前记录的在不同波长下蝎子的习性相一致。

图 4

P450基因在解毒和激素生物合成中的作用

细胞色素(CYPs)可能在荧光方面发挥着作用(图 5ab)。研究人员用CAD质谱检测在东亚钳蝎角质层乙醇提取的香豆素极其衍生物(图 5c),后两个在紫外线照射下发出蓝色荧光。

图 5

参考文献:

The genome of Mesobuthus martensii reveals a unique adaptation model of arthropods.Cao Z,et al.Nature Communications.2013

作者简介:

李文鑫:武汉大学,教授、博士生导师。主要研究方向:蝎及其毒素组学研究;蝎毒素抗病毒、抗菌及抗肿瘤研究

李轩:中国科学院上海生命科学院植物生理生态研究所研究员,博士生导师。清华973国家重点基础研究发展计划项目《基于新一代测序的生物信息学理论与方法》第一课题组负责人。主要从事生物信息学和系统生物学的应用研究。