鲸类大脑进化的分子机制.docx

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1、鲸类大脑进化的分子机制鲸类是一类神秘的次生性海洋哺乳动物,其陆生祖先(类似有蹄类)大约在53Mya从陆地返回海洋。比较解剖学和化石证据表明,在鲸类的进化历程中,脑容量持续增大,尤其是齿鲸起源期以及海豚超科快速辐射时期相对脑容量(用脑商Encephalizationquotient,EQ来表示)出现显著增大,而须鲸类物种由于体长的异常增大导致EQ显著减小。先前的生态学研究表明,鲸类脑容量增大主要是适应水生生境中复杂的社会压力的结果,它们营群居生活,个体间进行交流、合作以及竞争等社会活动,即符合“社会脑(socialbrainhypothesis)"假说。然而,鲸类脑容量

2、进化的遗传学基础尚不清楚。本研究选择头小畸形相关基因MCPH(Primaryautosomalrecessivemicrocephaly)的7个基因(MCPH1-7:MCPH1、WDR62、CDK5RAP2、CEP152、ASPM、CENPJ和STIL),该基因突变将导致人的大脑容量显著缩小。通过鲸类代表性物种MCPHs的基因克隆和生物信息学分析,探讨：(1)鲸类MCPHs基因的进化模式如何?是否受正选择驱动?不同谱系所受的选择压力是否相同?(2)鲸类MCPHs基因的分子进化是否与大脑表型特征(如：EQ、绝对脑重和体重)存在相关性?(3)以集群大小(groupsize

3、)作为社会复杂度的一个指标,鲸类MCPHs基因的进化与其是否存在相关性?能否从分子水平支持“社会脑”假说?(4)鲸类受正选择的MCPHs基因是否产生了适应性功能改变?本研究通过PCR扩增和从数据库中下载已有的基因序列,共获得鲸类17个代表性物种(包括14个齿鲸和3个须鲸)的7个MCPHs基因的所有外元序列。通过MEGA6.0序列比对发现10个鲸类物种MCPH1基因出现移码突变和提前终止密码子,并且移码突变位置大多位于或接近功能域。此外,运用PAML4.7分析表明发生假基因化的鲸类谱系选择压力放松,但选择压力并没有完全移除,以上结果提示鲸类MCPH1基因可能为假基因。M

4、CPH2-7基因并未出现移码突变和提前终止密码子,提示为功能基因。运用PAML4.7软件包中的位点模型检测,发现5个MCPHs基因(WDR62、CDK5RAP2、CEP152、ASPM和STIL)含有选择压力的模型显著优于中性模型(P<0.001),提示鲸类的这5个MCPHs基因受正选择。同时,通过3种最大似然法(MaximumLikelihood,ML)即M8、FEL和REL鉴定了一系列的正选择位点,其中60个正选择位点至少被两种ML方法检测到,11个正选择位点同时被3种ML方法检测到,提示这5个MCPHs基因在鲸类中普遍受到正选择作用。TreeSAAP软件对

5、氨基酸性质分析表明,有88.33%的正选择位点产生激进氨基酸性质改变,这是正选择的又一证据。I-TASSER在线预测MCPH2-7蛋白的三维结构,发现超过50%的正选择位点位于或接近于其重要功能域,以上结果表明鲸类的5个MCPHs基因发生了适应性进化。另外,运用PAML4.7软件包中的支模型(branchmodel)和支位点模型(branch-sitemodel)分析表明CDK5RAP2基因在EQ值增大的齿鲸物种以及EQ值减小的须鲸祖先支均检测到正选择,而在ASPM、STIL和WDR62基因,正选择仅出现在EQ值增大的齿鲸谱系中。非常有趣地是,AsPM与CDK5RAP

6、2基因的进化与EQ值显著正相关(R2CDK5RAP2=0.397,PCDK5RAP2=0.022；R2ASPM=0.547,PASPM=0.006),提示这两个基因在鲸类相对脑容量增大中起重要作用。这一推测在初步的功能试验中也得到证实,ASPM基因正选择位点site1684所在IQmotif与钙调蛋白CaM进行GST.pulldOwn和Octet蛋白互作实验表明EQ值增大的齿鲸类物种结合能力强于EQ值减小的须鲸物种。非常惊奇的是,ASPM、CDK5RAP2和CEP152基因与集群大小(meangroupsize)显著正相关或接近正相关(R2CDK5RAP2=0.213

7、,PCDK5RAP2=0.055；R2CEP152=0.167,PCEP152=0.082；R2ASPM=0.315,PASPM=0.022),为"社会脑"假说提供了分子证据,提示鲸类脑容量的增大是应对复杂的社会压力的结果。