上海交大张大兵Cell子刊:新基因从何而来?

【字体: 时间:2015年06月04日 来源:生物通

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  来自上海交通大学、马克斯普朗克分子植物生理学研究所以及莱斯特大学的研究人员报告称,他们在拟南芥和水稻中追溯了一些蛋白质编码基因的起源,基于研究发现他们提出了一个进化模型来解释一些新基因从雄性生殖细胞中出现的机制。这项研究发表在6月1日Cell出版社旗下的《分子植物》(Molecular Plant)杂志上。

  

生物通报道  来自上海交通大学、马克斯普朗克分子植物生理学研究所以及莱斯特大学的研究人员报告称,他们在拟南芥和水稻中追溯了一些蛋白质编码基因的起源,基于研究发现他们提出了一个进化模型来解释一些新基因从雄性生殖细胞中出现的机制。这项研究发表在6月1日Cell出版社旗下的《分子植物》(Molecular Plant)杂志上。

文章的通讯作者是上海交通大学****张大兵(Dabing Zhang)教授,张大兵教授研究组主要从事水稻遗传学、花器官和花药形成分子基础以及分子辅助育种等研究工作。近年来以通讯作者身份在Plant Cell等期刊上发表80多篇高质量研究论文(延伸阅读:上海交大张大兵PNAS揭示植物信号新机制 )。

在进化的过程中基因组内诞生一些新基因,一直被认为是功能和表型改变的一个主要推动力。在上世纪70年代,已故遗传学家大野乾(Susumu Ohno)提出基因和基因组复制是产生新基因的主要来源,所有新基因均来自已存在的基因。1977年,Jacob F提出一些新基因极有可能源自旧基因发生了一些随机的改变,这被称作为是“tinker模型”。这些模式被人们广泛地接受,且多年来还鉴别出了一些支持分子机制,例如全基因组复制、染色体片段倍增、基因融合、外显子重排和转座子驯化等。

然而,近年来发现的一些从头起源的新基因却讲诉了另一个故事。在果蝇、人类、小鼠、酵母、水稻和拟南芥中都发现了一些在其他其他种群中缺乏同系物的种系特异性基因和孤独基因。系统性调查新生基因(De novo gene)表明,一些基因经常是从基因组中的非基因区域中产生,由非基因序列从头出现的一些基因进化为原基因最终变为功能性基因有可能是一个渐进的过程。由于与特征明确地蛋白质缺乏序列相似性,当前对于新生基因的认识非常有限,阻碍了对它们的功能注释和分析。因此,关于基因组中新生基因的很多方面,尤其是促成它们出现的进化力量,在进化过程中选择和固定的相关原因,以及它们在植物和动物中的功能作用等仍然是待解的谜题。

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此外,近来的一些研究发现动物中的一些新基因特异性表达于诸如睾丸一类的雄性生殖组织中,由此有人提出了一些新基因出自睾丸的假说。但目前尚未在植物物种中检测过这种现象。

在这篇新文章中,研究人员在拟南芥和水稻中追溯了一些蛋白质编码基因的起源。他们发现一些近期进化的年轻基因存在于拟南芥和水稻基因组中。这些年轻基因倾向于编码结构简单的小蛋白,它们与新生基因有许多共同的特征。注释这些基因表明,它们参与了一些防御和生殖过程。进一步的转录组年代索引分析揭示有一组特殊的组织:植物雄性配子体与年轻基因的高表达相关。除了转录组比其他组织年轻,花粉转录组还显示出更大的复杂性和多样性,具有更高比例的反义和基因间转录物。反映出一种广泛的转录状态促进了新基因的出现。由此他们提出花粉有可能充当了一些新生基因产生的“创新孵化器”。

(生物通:何嫱)

生物通推荐原文摘要:

Young Genes out of the Male: An Insight from Evolutionary Age Analysis of the Pollen Transcriptome

The birth of new genes in genomes is an important evolutionary event. Several studies reveal that new genes in animals tend to be preferentially expressed in male reproductive tissues such as testis ( Betrán et al., 2002; Begun et al., 2007; Dubruille et al., 2012 ), and thus an “out of testis” hypothesis for the emergence of new genes has been proposed ( Vinckenbosch et al., 2006; Kaessmann, 2010 ). However, such phenomena have not been examined in plant species.

作者简介:

张大兵

上海交通大学教授,博士生导师。现任上海交通大学生命科学技术学院副院长。
1991年-1994年,南京大学,生物第植物学专业;
1994年-1998年,中国科学院上海植物生理生态研究所,分子遗传学;
1998年-2005年,上海市农业科学院,生物技术研究中心,植物分子生物学实验室主任、助理研究员、副研究员、研究员;
2005年-至今,上海交通大学,生命科学技术学院,教授、特聘教授,发育生物学学科带头人;国家杰出青年基金获得者、教育部****奖励计划特聘教授、上海市优秀学科带头人和国家百千万人才工程入选者、上海科技启明星、上海市曙光学者、教育部新世纪优秀人才等。

研究方向: 1.水稻花器官形态建成的分子调控机理研究; 2. 水稻雄性生殖发育的分子调控机制研究; 3. 水稻分子辅助育种。

研究成果
在水稻生殖发育方面开展了大量研究工作,近年来分离鉴定了10余个控制水稻花粉形成、花序和花器官发育相关的关键基因,并阐明了其作用机制。另外,在转基因生物安全性检测方面在国内外率先寻找并验证了适合转基因油菜、棉花、番茄和水稻中外源基因定性、定量PCR检测的内标准基因,建立了我国主要转基因农产品检测方法,对于保障转基因生物安全消费具有重要促进作用。2003年至以通讯作者身份在Plant Cell等期刊上发表80多篇高质量研究论文,申请专利14项(其中两项为国际PCT专利),获得授权专利6项。申请水稻新品种保护2项;负责和参与制定国家技术标准20余项,制定ISO标准4项。

 

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