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东北虎基因组文章解读

南山北山树冥冥,猛虎白日绕村行



今天跟大家分享一篇nc上的文章,老虎基因组的解析以及与狮子和雪豹的比较。


一、综述

老虎和他们的近亲(虎)是世界上最濒危的物种。我们在这里研究了一个东北虎的全基因组的从头组装以及白虎、非洲狮,白狮和雪豹的低深度测序。通过对这些基因组进行比较分析研究,我们发现从遗传特征,可能反映了分子适应符合大型猫科动物 hypercarnivorous 饮食和强健肌肉力量的原因。我们报告一个雪豹特定基因EGLN1(met394lys39),这可能与高海拔适应相关。我们还发现tyr260g4a突变可能导致白狮毛色变化。老虎和猫的基因组显示类似的重复成分和略微保守的共线性。从五大猫科动物的基因组数据,可以很容易区分表型相似,但是是距离较远的物种。




二、研究背景

老虎是陆地最大的猫科动物,作为野生动物保护资源而广为人知,截至2013年,野生老虎数量约3,050~3,950只,可以预知若没有相应的保护措施,野生老虎将会灭绝。老虎总共有9个亚种,其中Javan, Balinese, South China and Caspian tigers四个野生亚种已经灭绝,现存Amur, Bengal, Indochinese, Malayan and Sumatran 五个亚种中,东北虎是现存数量最多且唯一生活在冰雪覆盖的寒冷地区的亚种。




三、材料和方法

  •  测序材料

一只取自韩国野生动物园的雄性东北虎,一只白虎,一只雪豹,一只非洲狮和一只白狮的DNA样品。

  • 测序方法

基于HiSeq2000测序平台,其中东北虎构建170bp,500bp,800bp,2kb,5kb,10kb,20kb文库,总测序深度为118×,白虎、雪豹、非洲狮和白狮构建400bp文库,测序深度在31~40×。




四、研究结果

1 东北虎基因组

组装得到东北虎基因组约2.4Gb,其中contigN50为29.8kb,scaffoldN50为8.8Mb,预测基因数为20,226个,重复序列约959Mb。通过分析发现,东北虎与家猫分化时间约为10.8MYA, 其基因组序列相似性达到95.6%。

2 猫科动物的适应性

通过对老虎、家猫、人、狗、小鼠、大熊猫、负鼠基因家族分析发现,老虎有14,954个基因家族,其中103个基因家族是老虎和家猫所共同特有的。老虎与其他猫科动物相比,有381个基因家族发生扩增,1,790个基因家族收缩(图1)。老虎基因组在嗅觉受体活性、G蛋白偶联受体信号通路、信号转导活性显著富集,这是与老虎生活习性,例如领地意识、寻求配偶、敏锐的视觉听觉相适应的。通过选择压力分析发现,其正选择基因在纤维肌动蛋白、应力纤维、肌肉纤维滑动等功能分类中富集。

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3 雪豹和白狮的遗传组成

通过分析在人类中发现的与高原适应性相关的EGLN1 EPAS1基因,发现雪豹在两个基因中都有独特的氨基酸变异,而其他哺乳动物中则不存在。EGLN1基因在哺乳动物中比较保守,而雪豹则不同于其他哺乳动物的Lys39, 为非极性氨基酸Met39, EPAS1基因的Ile663Arg794 为雪豹特有变异,以上变异可能是雪豹高原适应性的分子机制。

在家猫中,TYR基因突变可导致白色皮肤,分析此基因在白狮中的突变情况发现,白狮存在特异的核苷酸突变TYR260G4A,对应于氨基酸从带有正电荷的Arg87突变为不带电荷的Gln87(图2)。

4 老虎与其他哺乳动物的基因组比较

基因组的重复序列在亲缘关系很近的物种中都可能存在很大差异,然而通过分析发现,老虎与家猫有相似的重复序列成分,而且不同重复序列的比例也相似。同时家猫和老虎有高水平的基因组共线性,包含有6个染色体大片段的重排(图3)。

通过分析发现老虎狮子和人具有相似的遗传多样性,然而雪豹的遗传多样性几乎是其他豹属的一半(图4)。同时发现在7–70 kyr发生过显著的瓶颈效应。





五、总结和讨论

老虎是第一个测序的豹属,第二个测序的猫科动物,其基因组的解析揭示了其基因组的组织特性、进化分歧、以及与生活习性相关的分子机制。





参考文献

Yun S C, Hu L, Hou H, et al. The tiger genome and comparative analysis with lion and snow leopard genomes[J]. Nature Communications, 2013, 4(9):2433.





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