近期的基因复制和结构重塑推动了植物中特定谱系基因家族的快速进化

《Plant Communications》：Recent gene duplication and structural remodeling drive rapid lineage-specific gene family evolution in plants

　　

摘要

基因重复促进了新基因功能的产生和物种间的性状多样性。在此，我们提出了一种名为DupHIST的计算工具，该工具通过结合基于最大似然（ML）的系统发育分析和通过统计平滑法得到的替换衍生时间信息，来重建基因重复的历时过程。将该工具应用于114种植物基因组中的450多万个基因后，我们成功推断出了近13万个直系基因组的重复历史。这一大规模分析显示，53.0%的基因起源于最近的、特定于谱系的基因重复事件，尤其是在某些具有多个拷贝的基因家族中这种现象更为明显。在这些基因家族中，NLR、C48和P450家族的例子表明，最近重复的基因会经历快速的分步结构重塑。这一过程主要由小规模突变驱动，包括插入、删除和移码突变，这些突变在重复发生后短时间内迅速累积。通过确定基因重复的精确顺序，我们重建了这些结构变化，从而能够推断出假定的祖先结构，并探索由结构重塑引起的功能多样化。基于结构的聚类分析进一步发现，即使在不同进化距离较远的物种中，最近重复的、尚未被充分研究的基因仍保留着与已知功能性蛋白质相似的核心结构域。我们的研究结果表明，最近的基因重复及其随后的结构重塑是推动植物基因家族快速多样化的一个普遍且特定于谱系的力量。