動物核糖體大亞基基因內含子的進化分析

【摘 要】由于核糖體蛋白是在進化過程中高度保守，是研究內含子進化的有效工具。本研究通過對人、小鼠、黑腹果蠅、岡比亞按蚊、蜜蜂和秀麗隱桿線蟲的核糖體蛋白基因大亞基的44個同源基因內含子—外顯子結構的研究，結果發現哺乳動物、昆蟲及線蟲的共同祖先所擁有的內含子的個數為53個，在分化過程中哺乳動物獲得了72個內含子，昆蟲丟失了7個內含子僅獲得5個內含子，線蟲丟失與獲得的內含子分別是32和37。這些結果表明在進化過程中，哺乳動物發生了大量的內含子獲得，在線蟲中獲得了少量內含子，而昆蟲中則丟失了少量內含子。

【關鍵詞】內含子；進化；核糖體；丟失；獲得

真核生物的蛋白質編碼基因含有大量的內含子，它們在由pre-mRNA到mRNA的過程中被剪切掉了。通過真核生物同源基因的比較顯示在長期的進化過程中它們的結構相似，尤其是那些具有高度保守蛋白質序列的基因中，它們不但蛋白質序列高度保守，同時編碼該保守序列的DNA結構即形成的內含子與外顯子的結構的保守性也很高。

一、材料和方法

（1）核糖體大亞基基因序列來源。在哺乳動物中選取人Homo sapiens和小鼠Mus musculus，昆蟲中選用黑腹果蠅Drosophila melanogaster、蜜蜂Apis mellifera和岡比亞按蚊Anopheles gambiae，線蟲中選用秀麗隱桿線蟲Caenorhabditis elegans為代表種。以上這些物種的核糖體蛋白基因序列從http：//ribosome.med. miyazaki-u.ac.jp/（RPG）獲得。（2）蛋白質序列比對和內含子保守位點分析。用Clustal W對各物種的核糖體大亞基基因的同源氨基酸序列進行多序列比對，并仔細檢查和對照。利用NCBI上的tblastn將各物種的蛋白質序列與其基因組的編碼區序列進行比對，從而確定內含子在蛋白質序列中的位點。再對蛋白質序列的保守內含子位點進行分析。（3）內含子獲得和丟失的分析。真核生物分化假說認為昆蟲與線蟲的分離是在二者的共同祖先與脊椎動物發生分離之后發生的。因此，哺乳動物的內含子的位置可以作為線蟲及昆蟲內含子丟失和獲得的參照，即理論上，在線蟲及哺乳動物中同一位置存在的內含子，在昆蟲中也應該存在，假如沒有的話則可以認為該內含子在昆蟲進化過程中丟失了。

二、結果與分析

（1）核糖體大亞基基因序列的獲得和保守內含子位點確定。以黑腹果蠅的核糖體蛋白RPL19基因為例的蛋白質保守序列進行的內含子位置的確定。（2）哺乳動物核糖體大亞基基因內含子的丟失和獲得。在統計的44個核糖體大亞基同源基因的蛋白質保守區域中，哺乳動物、昆蟲以及線蟲的共同祖先所擁有的內含子的個數為53個。隨后，在哺乳動物分化過程中獲得了72個內含子，再加上小鼠和人中分別獲得和丟失的內含子，因此在統計的蛋白質保守序列中，人和小鼠中內含子數分別為128和125。發現人和小鼠的內含子跟哺乳動物、昆蟲以及線蟲的共同祖先比較起來多了2倍多。（3）昆蟲核糖體大亞基基因內含子的丟失和獲得。在昆蟲的共同祖先中內含子獲得的相對較少，在46個昆蟲保守內含子位點（表1）中僅有5個是僅存在于昆蟲中的，認為是在昆蟲的共同祖先分化時獲得的，占保守內含子位點的12%。隨后，果蠅、岡比亞按蚊和蜜蜂各獲得6個、3個和22個內含子（表1）。除了在由線蟲與昆蟲的共同祖先向目昆蟲的共同祖先進化時丟失了12個內含子外，果蠅中還丟失4個內含子，岡比亞按蚊中丟失3個，蜜蜂中丟失了2個（表1）。那么在果蠅、岡比亞按蚊和蜜蜂中內含子的丟失率分別為30%、28%和26%（表1）。（4）線蟲核糖體大亞基基因內含子的丟失和獲得。在線蟲中的保守內含子位點有21個，在由線蟲和昆蟲的共同祖先向線蟲進化時共丟失32個內含子，內含子丟失率152%。獲得37個內含子（表2）。在統計的蛋白質保守序列區域內線蟲共有內含子58個。

三、小結與討論

由于在哺乳動物、線蟲、昆蟲的共同祖先向線蟲與昆蟲的共同祖先分化時無丟失事件也無獲得事件發生，因此在線蟲與昆蟲的共同祖先中內含子的數目仍為53個。在昆蟲與線蟲的共同祖先向昆蟲分化時共丟失了12個內含子，僅獲得了5個內含子，因此昆蟲的共同祖先僅含有46個內含子。隨后在昆蟲的共同祖先向果蠅分化時獲得的6個內含子，丟失了4個內含子，果蠅中的內含子數為48個；由于在昆蟲的共同祖先向按蚊進化時丟失的內含子和獲得的內含子數目相同都是3個，因此在按蚊中內含子的數目仍為46個；而蜜蜂與果蠅、按蚊則有很大的不同，在昆蟲的共同祖先向蜜蜂進化時，獲得明顯比丟失多，獲得了22個內含子，而僅丟失2個內含子。果蠅和按蚊含有最原始共同祖先的91%和87%，表現為內含子丟失大于獲得。然而蜜蜂的內含子獲得則明顯大于丟失，獲得了22個而僅丟失2個內含子位點，這極有可能是由于選取了蜜蜂的核糖體大亞基基因作為研究樣本的緣故。本次統計顯示，昆蟲中內含子的丟失明顯大于獲得，故造成昆蟲中內含子保守位點比起脊椎動物和線蟲中均較少，但是昆蟲單獨獲得的內含子數量僅有

5個，說明在進化中內含子的獲得較少。

參 考 文 獻

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