回声定位蝙蝠高频听觉的分子进化研究

论文摘要

蝙蝠主要占据夜空生态位,在视觉等感官信息受限的情况下,进化出独特的回声定位能力用以导航、探测及捕食,成为适应性进化研究的经典代表。除了狐蝠科中的部分蝙蝠物种外,绝大多数蝙蝠都具有发达的回声定位能力。根据回声定位信号的频谱特征,可将所有回声定位蝙蝠大致分为三种类型:调频（frequency modulation,FM）蝙蝠、恒频-调频（constant frequency-frequency modulation,CF-FM）蝙蝠（也称为CF蝙蝠）和舌敲击（tongue-click）蝙蝠（也称为click蝙蝠）。与回声定位行为相适应,回声定位蝙蝠进化出了卓越的高频听觉能力,使其能够精确感知自身发出的超声信号。耳蜗作为外周听觉系统的重要组成部分,在声信号获取、加工处理及向大脑的传递过程中均起到重要作用。虽然现有研究结果表明,回声定位蝙蝠在耳蜗形态结构和听觉生理过程等多个方面均发生了适应性改变,但是有关回声定位蝙蝠耳蜗中与高频听觉适应性进化相关的内在分子机制则一直处于探索阶段。本论文以野外自然状态下的三种不同类型的回声定位蝙蝠为主要研究对象,采用转录组测序技术,对其重要听觉器官—耳蜗,开展比较转录组学研究,以期揭示不同类型回声定位蝙蝠耳蜗基因的差异表达水平和表达模式,以及明确差异表达基因所主导的重要听觉生理过程的改变。随后,将这三种类型回声定位蝙蝠的耳蜗转录组数据与已公布的包括多种其他回声定位蝙蝠和鲸类在内的16种哺乳动物的基因组数据相结合,基于基因序列层面,在组学尺度上开展与回声定位高频听觉相关的重要耳蜗表达基因的适应性进化研究。回声定位物种高频听觉能力的获得和发展涉及多方面生理过程和多基因的协调作用,因此,除耳蜗转录组测序获得的听觉基因以外,我们还对其他两个重要听觉候选基因—Shh和SK2分别开展了分子进化研究。首先,通过基因表达水平的研究,我们发现任意两个不同类型的回声定位蝙蝠物种耳蜗间均存在大量的差异表达基因,结合功能富集分析结果表明,CF蝙蝠与click蝙蝠耳蜗间的分子差异最大,CF蝙蝠与FM蝙蝠耳蜗间的分子差异居中,而FM蝙蝠与click蝙蝠耳蜗间的分子差异最小;其中,在CF蝙蝠耳蜗中检测到的大量具有显著高表达水平的基因与神经元产生、神经系统活动和离子转运活动等过程相关,表明CF蝙蝠耳蜗中可能存在独特的神经系统活动和丰富的离子转运活动。随后,对所有差异表达基因进行交集分析和聚类分析得到了两组分别包含426个和1,504个差异表达基因的基因集,这些基因在CF蝙蝠耳蜗中表现出一致的上调表达水平,暗示其是对CF蝙蝠耳蜗听觉生理功能具有重要作用的分子基础;对这两组基因集分别进行功能富集分析,结果同样表明CF蝙蝠耳蜗中可能存在重要且独特的听觉神经系统活动。此外,我们还发现了另一组包含1,764个差异表达基因的基因集,与click蝙蝠相比,这些基因在喉部回声定位蝙蝠中,即在CF和FM蝙蝠耳蜗中具有一致的高表达水平,且富集分析结果显示这些基因在喉部回声定位蝙蝠听觉相关生理过程中发挥重要作用,暗示这些基因是喉部回声定位蝙蝠感知高频声信号的重要分子基础。其次,我们在具有回声定位能力的蝙蝠和齿鲸支系中,一共发现了144个受正选择基因,为后续开展哺乳动物回声定位分子进化方面的研究提供了重要的候选基因。对所有单拷贝同源基因进行平行/趋同进化分析,发现不同类型回声定位蝙蝠之间及回声定位蝙蝠与齿鲸物种之间均存在数量较多的平行/趋同氨基酸位点,但绝大部分平行/趋同位点均不受正选择作用,表明不受选择作用的大量平行/趋同位点可能是由于中性进化而非自然选择产生的。结合目前所有听觉相关领域的研究结果,我们在144个受正选择基因中共鉴定出34个与听觉密切相关的受正选择基因,其中有17个正选择基因同时还具有平行进化位点。对所有受正选择的听觉基因进行功能富集分析、位点定位分析及蛋白网络互作分析等,发现回声定位蝙蝠和齿鲸物种可能在包括耳蜗骨发育、抗氧化活动、离子平衡和稳态以及信号转导在内的多个听觉生理过程均发生了重要的适应性进化。此外,我们还发现了一个重要听觉基因TECPR2上的两个氨基酸位点在CF和FM蝙蝠分支上发生平行进化且受到强烈的正选择作用,暗示这两个氨基酸位点可能在喉部回声定位蝙蝠高频听觉的获得和发展中具有重要的功能意义。最后,通过对两个重要听觉候选基因Shh和SK2的研究发现,虽然基于这两个基因序列分别构建的系统发生树表现出不同的树形结构,但分子进化分析结果却表明这两个基因在具有回声定位能力的蝙蝠和齿鲸物种中的进化速率均高于其在非回声定位物种中的进化速率,且受到较强的选择压力作用。与此同时,我们在SK2基因非编码功能域的序列中发现了多个受正选择的位点,滑窗分析结果与正选择分析结果相吻合,表明该基因序列的不同部分受到不同强度的选择压力作用,基因的功能域编码区序列在进化过程中相对保守,而非功能域编码区序列的进化速率较快。对上述两个基因的发现和研究,是对以往有关回声定位物种高频听觉适应性进化研究的重要补充。综上,本论文以回声定位蝙蝠为研究主体,结合多种具有不同回声定位表型的鲸类及其他外群哺乳动物,从基因表达水平和基因序列变异两方面着手,基于基因组水平和单基因水平的共同分析结果,系统地揭示了回声定位物种高频听觉的分子基础及其适应性进化的分子机制。本论文为后续开展回声定位分子进化的相关研究提供了重要的候选基因和研究思路;此外,本论文中涉及的所有分子水平的适应性进化研究方法可用于指导其他感官及表型的适应性进化研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
•   1.1 蝙蝠回声定位概述
•     1.1.1 蝙蝠系统发育与分类
•     1.1.2 蝙蝠回声定位的定义与起源
•     1.1.3 蝙蝠回声定位的类型
•   1.2 蝙蝠听觉系统结构基础
•     1.2.1 回声定位声波的发出和接收器官
•     1.2.2 蝙蝠的听觉感知过程
•     1.2.3 蝙蝠听觉系统对高频声信号的适应
•   1.3 回声定位蝙蝠听觉系统分子进化机制研究现状
•     1.3.1 分子进化相关理论
•     1.3.2 回声定位蝙蝠听觉相关基因的适应性进化研究
•     1.3.3 回声定位蝙蝠听觉相关基因差异表达研究
•   1.4 论文研究目的及意义
• 第二章 三种类型回声定位蝙蝠耳蜗差异表达基因研究
•   2.1 研究背景
•   2.2 材料与方法
•     2.2.1 样本采集
•       2.2.1.1 回声定位声波主频录制
•       2.2.1.2 耳蜗样本采集
•     2.2.2 总RNA提取及质量检测
•     2.2.3 cDNA文库构建及耳蜗转录组测序
•     2.2.4 转录组数据拼接、质量评估及功能注释
•     2.2.5 各蝙蝠物种间差异表达基因分析
•     2.2.6 差异表达基因功能富集分析
•     2.2.7 差异表达基因聚类分析
•     2.2.8 对CF蝙蝠重要的耳蜗表达基因分析
•     2.2.9 实时荧光定量PCR验证
•   2.3 结果
•     2.3.1 四种蝙蝠耳蜗转录组数据拼接组装及功能注释结果
•     2.3.2 样本间关系分析结果
•     2.3.3 四个蝙蝠物种间差异表达基因分析结果
•     2.3.4 差异表达基因功能富集分析结果
•     2.3.5 基于回声定位声波主频的基因聚类分析结果
•     2.3.6 对CF蝙蝠重要的基因集鉴定及富集分析结果
•     2.3.7 荧光定量PCR验证结果
•   2.4 讨论
•     2.4.1 CF蝙蝠耳蜗中独特的神经系统活动
•     2.4.2 喉部回声定位蝙蝠重要的听觉分子基础
•     2.4.3 物种间的基因差异表达分析
• 第三章 耳蜗中重要听觉基因的适应性进化研究
•   3.1 研究背景
•   3.2 材料与方法
•     3.2.1 研究对象与数据收集
•     3.2.2 转录组数据拼接、注释及基因编码蛋白框（CDS）预测
•     3.2.3 单拷贝同源基因筛选与系统发生树构建
•     3.2.4 选择压力分析及受正选择听觉基因筛选
•     3.2.5 平行/趋同进化位点分析
•     3.2.6 重要氨基酸位点与蛋白结构分析
•     3.2.7 蛋白互作网络分析
•   3.3 研究结果
•     3.3.1 转录组数据拼接及注释结果
•     3.3.2 氨基酸序列文库构建、单拷贝同源基因筛选与系统发生树构建结果
•     3.3.3 重要听觉相关正选择基因
•     3.3.4 基因平行/趋同进化分析结果
•     3.3.5 重要听觉基因位点的蛋白质结构定位
•     3.3.6 功能富集分析结果
•   3.4 讨论
•     3.4.1 耳蜗内骨发育相关基因的适应性进化
•     3.4.2 抗氧化与听觉保护
•     3.4.3 离子转运和耳蜗稳态
•     3.4.4 信号转导过程的适应性进化
•     3.4.5 回声定位物种间平行/趋同进化位点探讨
•     3.4.6 在喉部回声定位蝙蝠中发生重要适应性进化的基因
• 第四章 听觉基因Shh和 SK2 在回声定位蝙蝠中的分子进化研究
•   4.1 研究背景
•   4.2 材料与方法
•     4.2.1 研究的物种范围、分子克隆及测序
•     4.2.2 样本采集、基因组DNA提取及电泳检测
•     4.2.3 引物设计、分子克隆及测序
•     4.2.4 序列处理和比对
•     4.2.5 基因树重建
•     4.2.6 分子进化分析
•     4.2.7 正选择位点定位到蛋白质结构
•   4.3 结果
•     4.3.1 基于Shh基因序列构建的系统发育树
•     4.3.2 Shh基因的分子进化分析结果
•     4.3.3 基于SK2 基因序列构建的系统发育树
•     4.3.4 SK2 基因的分子进化分析结果
•       4.3.4.1 SK2 基因的正选择分析结果
•       4.3.4.2 SK2 蛋白结构及正选择位点定位
•       4.3.4.3 SK2 基因滑窗分析结果
•   4.4 讨论
• 第五章 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 后记
• 在学期间发表论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王慧

导师: 冯江,孙克萍

关键词: 蝙蝠,回声定位,高频听觉,转录组,分子机制,适应性进化,正选择

来源: 东北师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 东北师范大学

分类号: Q437

总页数: 154

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