疣猴亚科植食性适应机制及系统发育关系研究

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疣猴亚科与猴亚科同属于猴科,与其他灵长类主要以果实和昆虫为主食不同,疣猴亚科物种主要以树叶和种子为食,是灵长类中植食性最强的代表。因此对于疣猴亚科物种植食性适应机制一直是人们研究的重点。只在疣猴亚科物种中存在的胰液核糖核酸酶基因多拷贝现象被证实与植食性适应相关,其新拷贝在自然选择下发生了快速进化,为了适应小肠中的偏酸环境而降低了该酶的最适pH值。但是这种适应性进化在亚洲疣猴和非洲疣猴中是一次形成的还是分别独立进化的一直是人们争论的焦点。在本研究中,基于金丝猴全基因组数据对该基因相关的所有短序列进行了局部组装,从而获得了该基因两个拷贝的位置。结果表明该基因所在DNA复制区域长度约为34kb,复制完成后,两份拷贝呈串联形式插入到基因组中。通过检测发现该基因两个拷贝复制的长度和插入的位置在所有疣猴亚科物种中都是相同的,因此证明该基因的多拷贝现象是由祖先物种中一次基因复制事件导致的,而不是此前认为的多次独立复制。通过对基因编码区进行分析,我们发现第39位氨基酸由碱性氨基酸向中性氨基酸的突变是导致该酶最适pH降低的关键。为了验证假设,构建了亚洲疣猴胰液核糖核酸酶基因新拷贝的祖先基因及该祖先基因第39位氨基酸的突变型,并对二者进行了蛋白表达及酶活检测。实验结果表明第39位氨基酸从碱性氨基酸突变为中性氨基酸后,该酶的最适pH值由7.0降到了6.4。由于该位点的突变在疣猴亚科中至少独立发生了三次,即亚洲疣猴中两次,非洲疣猴中一次,因此认为疣猴亚科胰液核糖核酸酶基因的进化过程中确实发生了平行进化。随后对川金丝猴五种不同组织中胰液核糖核酸酶基因两份拷贝的表达量进行了分析,结果表明只有在胰腺中该基因新拷贝的表达量要远高于原始拷贝,而在其他四种组织中,两者的表达量没有明显差异。这说明该基因的两份拷贝可能已经分别进化出独立的调控区。  疣猴亚科物种分布范围广且物种多样性程度非常高,主要分布于非洲大陆、东亚及东南亚的高山密林中,包含10个属,70余个独立种。但是,疣猴亚科中相当一部分物种的系统发育关系仍不明朗,尤其是乌叶猴属中的戴帽叶猴种组。以往,基于不同分子标记的系统发育关系分析中,不同系统发育树的拓扑结构互相矛盾,因此该种组曾被认为是乌叶猴属和长尾叶猴属祖先杂交的产物。虽然最近戴帽叶猴线粒体全基因组数据的公布使人们意识到此前的错误是由于误把核内线粒体假基因当成了真实的线粒体序列,但是为何一段和长尾叶猴关系很近的DNA序列会出现在戴帽叶猴基因组内仍然是困扰科学家的一个难题。为了探讨该段假基因的来源及进化历史,我们利用DNA定向捕捉及长片段扩增技术获得了该段假基因的全长。结果表明戴帽叶猴基因组中发现的这段线粒体假基因全长达到了近16kb,其覆盖度达到了原始线粒体基因组的92%以上。通过在疣猴亚科其他16个物种中进行筛选,我们发现该段假基因只存在于戴帽叶猴种组的戴帽叶猴和肖氏乌叶猴中,而其他疣猴中都没有发现该段假基因。在随后的系统发育关系分析中我们发现该段假基因在系统发育树中和长尾叶猴线粒体基因组聚为一簇,而不是和本物种自身的线粒体基因组聚为一簇。在综合考虑了长尾叶猴属和乌叶猴属这两个属的社会结构、形态特征、栖息地分布及核型变化等多种因素后,我们认为长尾叶猴向戴帽叶猴祖先种的单方向的渐渗杂交是造成该线粒体假基因序列在不同属的基因组中进行转移的主要原因。而本研究也是迄今为止对乌叶猴属和长尾叶猴属祖先杂交最有利的证明。
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