果蝇mirna演化的研究——mirna动态演化、保守性原因及功能假说

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1、中山大学博士学位论文果蝇miRNA的演化研究——miRNA的动态演化、保守性原因及功能假说姓名：沈杨申请学位级别：博士专业：生物化学与分子生物学指导教师：吳仲義20090604中山大学博士学位论文果蝇miRNA的演化研究———miI矾A的动态演化、保守性原因及功能假说专业：生物化学与分子生物学中文摘要MiRNA是一类负责转录后调控的内源小分子RNA。在本研究中，我们首先研究了果蝇miRNA基因的演化过程。使用高通量测序技术，我们在三个不同物种的雄果蝇头部中分别获得了16436，86535和44395个小分子RNA表达标签。在这些小分子

2、RNA中，总共有107100条序列标签可以被对应到miRNA基因的座位，其中至少有300个miRNA的基因座位是本研究首次发现的。通过研究这些miRNA的演化过程，我们提出miRNA基因和其它基因一样，也经历着“产生"和“消亡"的过程。另外，大量物种特异的miRNA表明，miRNA基因的“产生率"是相当高的，我们估计大概是每百万年产生12个miRNA。然而，由于这些新产生的miRNA在产生后会很快消失，只有不到4％fi皂够被保存下来，并且在历经更长的演化之后，保存下来的miRNA中只有60％fi皂够最终整合进物种的转录组。故miRNA

3、的“净产生"(netgain)率只有每千万年产生3个新miRNA，是非常低的。进一步的研究表明，在果蝇中产生新miRNA的主要生化机制是“点突变"，非miRNA的序列将由一系列的点突变而形成新的miRNA。对于果蝇中那些高度保守的miRNA，我们研究了可能导致其“骨架"(backbone)序列高度保守的原因。一个miRNA基因包括了“成熟miRNA”(maturemiRNA,用miR代表)，而其它部分则是“骨架”序列。“骨架”的作用在miR加工合成中能形成特定的二级结构。我们分析了所有果蝇12个物种中miR都没有发生改变的miRNA，

4、辅以计算机模拟，发现二级结构不足以提供足够的约束力来导致“骨架序列”具有较低的演化速率。为此我们检验了其它的可能约束力。特别的，我们假设对于具有相同二级结构的不同序列，其产生miR时的errorrate可能不同。当miR加工时产生5’端不同的变体可能会对生物有不利的影响。通榘疆miRNA斡浚能霹究过比较三个果蝇物种miRNA的高通量测序结果，我们发现加工miR的errorrate在高表达的miRNA基因中具有较高的保守性。面对于低表达的miRNA，其errorrate则有演化的空间，暗示高errorrate对于低表达的miRNA是可以

5、容忍的。综合这些观察结果，我们提出miRNA的backboRe的高度保守性是受到三维结构的约束，约束的原因在子特定的三维结构则能减小miR加工过程中的errorrate。最后，为了解释miRNA基因一方面高度保守，另～方面其功能又可有可无的特点，我们提出了“双重功能’’(dualfunction)的假设来理解miRNA在调控中的这一非传统焦色。miRNA可以被看做是候选的“canalization”基因。具体的，我们建立了一系列反应动力学模型来描述miRNA的靶基因在不同的调控网络中的行为。结果表明，1)Incoherentmotif

6、可以缓冲环境因素和“反式调控"效应所引起的噪音，然丽这种缓冲效果不熊增加遗传率(heritability)；2)不管是Incoherentmotif还是Coherentmotif都不能减小由于“顺式调控"效应引起的嗓音(发生在promoter或miRNA结合位点区域的遗传变异导致的噪音)；3)带有m浓NA的Incoherentmotif由于可以减少环境因素导致的变异，并同时还能增加遗传度，从而更具有演化性(evolvability)。故我们认为在某种情况下，miRNA的功能可以是“canalization”基因，以增加自然选择的效率。

7、进一步的，由于这些新产生的miRNA由于其表达量较低，不太可能会直接调控基因表达的开关，反倒是这种能减弱噪音的特点提供了新产生的miRNA基因的选择优势。关键词：miRNA，Drosophila，基因组，演化分析2巾山大学博士学位论文EvolutionarystudyofmiRNAinDrosophila————-evolutionarydynamics，constraintandfunctionalhypothesisofmiRNAMajor：BiochemistryandMolecularbiologyAbstractMicroR

8、NAs(miRNAs)aresmall，endogenouslyexpressedRNAsthatregulatemRNAspost-transcriptionally．Inthisstudy,wefirstlyfocu