雞基因組的排序、基因組學(xué)工具在生物研究中的應(yīng)用前景,基因工程論文

雞基因組的排序、基因組學(xué)工具在生物研究中的應(yīng)用前景,基因工程論文禽類是在大約310000000年前與哺乳動物類分離。始祖鳥是最先發(fā)現(xiàn)的,生活在大約150000000年前的禽類。雞(家禽)在7500多年前被馴養(yǎng)。當(dāng)前的雞基因組草圖是在2004年繪制的,運用了6.6倍的DNA序列覆蓋,采用了包括BAC、DNA雜交序列質(zhì)粒載體、EST、mRNA以及DNA序列載體質(zhì)粒配對首尾讀序在內(nèi)的全基因組排序方式方法。最先完成的禽類基因組序是利用未馴養(yǎng)雞作為模型,它是當(dāng)前以為現(xiàn)存的9600類禽種的一個禽類模型。雞基因組的很多特性及其生物學(xué)特性使雞在研究禽類發(fā)生與進化以及在生物農(nóng)業(yè)和生物醫(yī)學(xué)利用中成為了一個理想的生物有機模型。據(jù)估計,雞基因組含有約20000~23000個基因,覆蓋97%的基因組。雞代表基因含量分化的一個中間水平,位于魚和哺乳動物之間,能夠確定基因的保守性以及哪些基因有重要功能,這樣對確定脊椎動物基因組的必要特性很有用。雞全基因組序是使雞在研究禽類生物學(xué)、發(fā)生與進化生物學(xué)以及精到準(zhǔn)確生物科學(xué)中成為一個真正的模型。由于新型的基因組學(xué)技術(shù),研究雞基因組將主要地促進分子生物學(xué)和遺傳學(xué)在農(nóng)業(yè)與醫(yī)學(xué)中的利用。因而,雞會成為一個全球的蛋白質(zhì)營養(yǎng)源以及一個治療疾病的生物工具。2、雞基因組的構(gòu)造背景大多數(shù)禽類真核型含有38對常染色體和一對以雌性為雜合型配子的性染色體,包含3類大小不同的染色體,大型染色體(GGA1~5)、中型染色體(GGA6~10)和微型染色體(GGA11~38)。雞單倍體基因組約1.21010堿基對,約哺乳動物的40%。僅15%的雞基因組能夠被標(biāo)注為散狀重復(fù),比在哺乳動物基因組觀察的40%~50%的散狀重復(fù)密度顯著的低。很多辯認(rèn)出的重復(fù)分化早,表示清楚雞的散狀重復(fù)密度低是由于先祖可轉(zhuǎn)移元件可能發(fā)生了變異。雞基因組中所有有LTRs(LongTerminalRepeats)的復(fù)位子都屬于脊椎動物特有的逆向病毒類。復(fù)位子含有基因組序中已經(jīng)知道存在的禽肉瘤或白細(xì)胞增加病毒原病毒之一的序列。富含G+C、CpG島與基因的微型雞染色體顯示出與DNA轉(zhuǎn)錄活性相關(guān)的特性,有與哺乳動物染色體R帶富含G+C的一樣構(gòu)造。雞基因組內(nèi)復(fù)制片段小,長度很少超過10Kb,并且沒有超過50Kb的片段,雞基因組內(nèi)復(fù)制是染色體內(nèi)進行的。人類僅有2.5%的DNA與雞的排序一樣,華而不實44%是在蛋白編碼區(qū),25%是在內(nèi)含子以及31%是在基因間,顯示了全套非編碼與編碼保守序段的整體特性。來自3個基因發(fā)生GO(GeneOntology)類(組織發(fā)育、組織代謝和肌肉組織構(gòu)成)基因在雞基因調(diào)節(jié)模塊CRMs(ChickenRegulatoryMod-ules)保守序列調(diào)節(jié)的基因叢中過度表示出;而來自信號傳遞和水解酶活性GO類基因在非保守序列調(diào)節(jié)元件調(diào)節(jié)的基因叢中過度表示出。編碼區(qū)域大小與非編碼區(qū)域保守序列大小呈負(fù)相關(guān),因而,近距離順序調(diào)節(jié)元件似乎不是所有非編碼區(qū)域保守序列的主要功能元件。人類的6號染色體和雞的10號染色體上保存著哺乳動物先祖的同線型,而嚙齒類僅有X染色體上保存有哺乳動物先祖的同線型。在雞染色體(GGA1~GGA4)與哺乳動物先祖X染色體間保守有14個染色體片段重組(13個倒位,1個融合)。3、雞基因組序使雞成為了進一步提高對生物學(xué)認(rèn)識的一個理想生物模型雞基因組序?qū)嶋H上是雞的染色體單倍體成對堿基排序,給所有生物的的遺傳信息提供了前景。雞一直是遺傳研究中利用的一種主要生物,對基礎(chǔ)生物學(xué)已有顯著影響。利用蛋的孵化,容易接觸雞胚并且操作簡便,使這個生物體成為了脊椎動物發(fā)育分子生物學(xué)研究的理想模型。分子技術(shù)的出現(xiàn)啟發(fā)了對基因型-表現(xiàn)型關(guān)系的認(rèn)識。今天,由于分子水平的生物學(xué)信息,遺傳機制的研究已大大地遭到生物基因組背景(十分是基因標(biāo)記)的影響。遺傳與非遺傳因素可能導(dǎo)致生物界的變化,正是生物體基因組因素促進這些變化的可持續(xù)性。雞是一種生物有機體,具有由自然選擇產(chǎn)生的遺傳特性,最初有益于馴化、馴養(yǎng)。隨著重組DNA技術(shù)的產(chǎn)生、DNA標(biāo)記RFLP又占優(yōu)勢、隨繼出現(xiàn)指印標(biāo)記到微衛(wèi)星標(biāo)記,今天幾乎所有分隔的DNA多肽都能夠用作標(biāo)記。除減數(shù)分裂外,利用RH技術(shù)按需要斷裂染色體,分離人類與雞基因組的基因序估計在100~200個切入點,共線型超過100cM的保守區(qū)域。這是當(dāng)前鑒別出表現(xiàn)型后,測定雞基因型的基礎(chǔ),也是進一步完善雞全基因組排序的參考。分析雞基因組構(gòu)造變異,并利用其估測生物多樣性,以及解釋這種構(gòu)造變異與生物表現(xiàn)的關(guān)系,禽類基因組學(xué)會提高對生物學(xué)的認(rèn)識。通過全基因組標(biāo)記分析,鑒別雞QTL和高效率基因型測定會整合總遺傳值。從雞、火雞和鵪鶉內(nèi)含子排序推斷,堿基替換方式引起了G、C含量中(等量基因構(gòu)造)大規(guī)模雜合性的產(chǎn)生和進化,與等量基因構(gòu)造進化的偏向基因轉(zhuǎn)化(BGC)模型一致,當(dāng)推斷等量基因構(gòu)造起源時,跟先祖羊膜動物基因組非常類似。哺乳動物基因組共線型保守區(qū)域有38%的雞CpG島,華而不實48%與基因有關(guān),微型染色體上含量最高。雞微型染色體顯示,內(nèi)含子中有高于大型染色體18%的序列(基因)分化和編碼區(qū)(編碼蛋白基因區(qū))中有高于26%的中性替換率,表示清楚較小染色體容易經(jīng)歷生殖細(xì)胞變異,由于變異率的差異是偏向基因轉(zhuǎn)化,一種重組引起的變異機制。很多基因特征像G+C含量%、CpG島密度和基因密度表示與染色體大小、基因重組率之間的明顯關(guān)系。禽類基因組的一個獨特特點是染色體大小的宏大差異,微型染色體的重組率最高,使其對遺傳連鎖研究最為理想。DNA克隆顯示5%~10%的基因從雞基因組遺失。禽類雌性性染色體基因組代表性差,W染色體的重復(fù)含量高。人類、雞和河豚魚分享一套核心基因(7606),在雞基因組幾乎占所有基因的1/3,在脊椎動物都被保存;在禽類世系中,基因遺失率較高,基因重復(fù)較少。雞世系丟失的基因包括犁鼻器受體、奶酪蛋白以及一些免疫系統(tǒng)基因。同樣地,禽類有更多的羽毛特有的角蛋白基因,而哺乳動物則丟失了蛋抑生物素蛋白基因。在雞中仍然存在尿素循環(huán)的所有酶,表示清楚在雞組織中它們有作用于含氮的代謝中間物的功能。用ESTs(ExpressedSequenceTags)作標(biāo)簽,在很多組織中被表示出的基因趨向于在哺乳動物和雞中有好的保守性,而在少的組織中能被表示出的基因則更容易分化。在蛋中檢測基因功能和預(yù)測調(diào)節(jié)基因,利用大量的被排序雞ESTs標(biāo)簽和標(biāo)準(zhǔn)的3維胚胎重組構(gòu)造是最理想的。對禽類性別決定SOX2(SexDeterminingRegionY,Box2)基因保守性的研究,鑒別出了雞神經(jīng)特異加強基因,通過電穿孵化蛋雞胚神經(jīng)管證實。性連鎖Id位點基因可能通過控制黑素細(xì)胞轉(zhuǎn)移,確定皮膚皮下黑素的存在和缺乏。常染色體W位點基因決定皮膚能否貯藏有黃色類葫蘿卜素。在這些位點不同基因型的組合決定雞能否有暗黑、白色、黃色或呈綠色的腿,可能解釋了其它禽種腿色或人類膚色豐富多樣性的原因。PMEL17編碼蛋白質(zhì)在優(yōu)黑色素體中起關(guān)鍵作用,灰白色羽毛毛色變異就是這個基因中的兩次變異。SOMKY基因作為一種抑制色變基因部分地恢復(fù)毛色,即是部分地阻止同一基因內(nèi)第一次突變的顯性白色基因變異作用。禽類基因組好似顯示出相對高水平的保守性,至少在真核類生物中是這樣,現(xiàn)有雞基因組序和相關(guān)信息及基礎(chǔ)構(gòu)造給所有野禽和家禽的遺傳學(xué)分析增加了分子水平上的受益之處。4、雞基因組在農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)中的利用生物學(xué)的主要進展和分子遺傳學(xué)的發(fā)展以及禽類基因組學(xué)包括繪制高質(zhì)量基因組序草圖將會有益于鑒別控制復(fù)雜多因子性狀的基因,提高對甚至保存在已經(jīng)歷過很多代強度選擇的雞群中的紛繁多樣性的認(rèn)識,以及對QTL分子本質(zhì)的進一步認(rèn)識。當(dāng)前對多因子性狀和基因異常的遺傳基礎(chǔ)的認(rèn)識不是很完全,并且對存在被分化群中的正常表現(xiàn)型多樣性的認(rèn)識還很差。標(biāo)準(zhǔn)的單個QTL分析,揭示出了影響雞體重和體組成的大約15個QTL,也就是講,隨著互相作用的QTL基因頻率的變化,每個單個影響生長的位點基因的表現(xiàn)型效應(yīng)會因之改變。選擇期間遺傳變異會表現(xiàn)出來。因而,雞模型提高了對基因型與表現(xiàn)型間關(guān)系的認(rèn)識,提供了對食欲與生長遺傳控制的重要認(rèn)識。雞基因組序在禽類生物學(xué)和農(nóng)業(yè)中都起著指導(dǎo)作用。隨著分子遺傳學(xué)和禽類基因組學(xué)的發(fā)展,雞基因組序高質(zhì)量草圖和高密度SNPs的產(chǎn)生以及復(fù)雜多因子性狀的鑒別,使雞在生物學(xué)的主要進展中起著重要作用。當(dāng)前,600多個QTL和一套標(biāo)準(zhǔn)的10000多個SNPs,結(jié)合構(gòu)建宏大構(gòu)造資源雞群的容易性,對鑒別、檢測控制這些性狀的基因和進一步發(fā)展數(shù)量遺傳學(xué)的理論懷有很大希望。與哺乳動物種類比擬,雞染色體重組率較高。為了擴大采集禽類生物的變異,通過敲出實驗或大規(guī)模N-乙?；?N-亞硝基脲(ENU)誘發(fā)產(chǎn)生變異,雞中的遺傳多樣性能夠用作了解生物學(xué)的有用資源。雞的宏大群體數(shù)量是遺傳研究采集有趣而新型變異的一種潛在資源。因此,需要一個很稠密的SNP圖(約1SNP/10Kb),提供一個好時機檢測強度選擇基因。在育種方案中,能利用這種方式方法增加有益等位基因頻率或淘汰不利等位基因。將會有新的機遇利用當(dāng)代對農(nóng)業(yè)重要的基因組技術(shù),從遺傳上,精到準(zhǔn)確地對雞施行生物工程技術(shù)。由于人類的干涉,對家畜施行強度定向選擇,強度選擇基因(有益基因選擇)在這些種類就成為了一個共同現(xiàn)象。在豬育種中,在豬的IGF2基因位點對瘦肉生長選擇就是一個首選例子,對高度肌肉發(fā)育強度選擇和品種對IGF2內(nèi)含子的變異因子的選擇,導(dǎo)致了變異因子附近10Kb區(qū)域的高度純合性。雞中一定存在很多強度選擇固定的有益基因,但是,影響的序列區(qū)域相當(dāng)小。一個新興的機遇就是利用基因組選擇作為一種方式方法,根據(jù)全基因組標(biāo)記密度圖,預(yù)測家畜總遺傳值,使其產(chǎn)生新的機會,用對農(nóng)業(yè)有價值的方式方法從遺傳上改良雞種。龐大的商用雞群意味著在雞中能夠作大規(guī)模的育種研究,由于能夠獲得大量的高度近交系品系。蛋雞選擇高產(chǎn)蛋量,而肉雞選擇快速生長及產(chǎn)肉量高。從長遠(yuǎn)角度看,通過轉(zhuǎn)基因技術(shù),改良雞品系遺傳奉獻量的能力可能最終會成為分子遺傳學(xué)和雞生理系統(tǒng)上最重要而又實際的利用。雞作為營養(yǎng)相關(guān)研究的一個生物模型,是科學(xué)數(shù)據(jù)的一種補償資源,給人類健康和普通生物學(xué)提供認(rèn)識,因而,雞遺傳研究和醫(yī)學(xué)研究經(jīng)?；パa。在雞蛋白蛋白中將會研發(fā)一種給人類醫(yī)學(xué)生產(chǎn)重組蛋白的系統(tǒng)。在禽類免疫系統(tǒng)中,利用基因組方式方法,基因和蛋白質(zhì)的特性化,禽類細(xì)胞激素和其它信號分子的分離研究將獲得重要進展。與免疫相關(guān)的185個基因包括白細(xì)胞介素、轉(zhuǎn)錄因子、化學(xué)激素、分化抗原、受體、影響Tollpathway奇異免疫基因以及MHC(MajorHistocomptabilityComplex)相關(guān)基因。曾經(jīng)以為TNF(tumornecrosisfactor)基因缺乏,但是發(fā)現(xiàn)了它的受體基因(TNFRSFA)。甚至在雞基因組也發(fā)現(xiàn)了曾經(jīng)以為是哺乳動物特有免疫基因,包括IL3、IL7、IL9、IL26、CSMF、LIF以及Cathelici-din杭菌多肽。用禽類基因組法對禽類免疫系統(tǒng)的基因和蛋白質(zhì)特性化獲得了很多關(guān)于禽機體對傳染性病原的應(yīng)答性。綜合分析雞基因組序已鑒別出很多細(xì)胞激素、化學(xué)激素以及其受體。能夠從遺傳上精到準(zhǔn)確地對雞采用生物工程技術(shù),使其具有對疾病高度的抵抗力。禽類,十分是,家禽和鴨子是很多傳染性疾病的傳染源,基因組學(xué)將告訴很多關(guān)于宿主對這些病原的應(yīng)答性。雞基因組學(xué)在進化生物學(xué)、系統(tǒng)學(xué)、發(fā)育模型以及人類疾病與農(nóng)業(yè)中可能有主要的應(yīng)用和利益。在肉用型雞,先天性疾病,像腹腔積水、瘸腿、受精率降低以及對傳染性疾病抵抗力降低的病例已經(jīng)有升高的趨勢;在蛋用型雞,與產(chǎn)蛋量升高繼發(fā)的骨質(zhì)疏松癥病例也有增加的趨勢。由于食品安全要求的提高,有必要減少化學(xué)藥品和抗菌素的利用,提高禽對病原的遺傳抵抗力。這些新性狀通過常規(guī)遺傳選擇方式方法,既難測定又成本費用高,家禽基因組學(xué)給這些問題承諾了新的方式方法。5、結(jié)論人類、雞和河豚魚間比擬基因組排序,顯示出一套核心基因。這套核心基因序列比其它人類/雞同祖同源基因更傾向保守,表示清楚強度淘汰、純種化選擇在對它們起作用,也表示清楚這些基因在很多不同組織中有表示出,快速進化基因只在較少組織中表示出。大多數(shù)核心基因影響細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞核間蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運。禽類存在尿素循環(huán)的所有酶,但是又明顯沒有作用于這一功能。表示出這些酶的基因存在哪種組織,起什么作用有待進一步的研究,與含氮代謝中間產(chǎn)物的代謝經(jīng)過有關(guān)是一個討論方向。雞跟人類OR5U1和OR5BF1嗅覺受體基因同祖同源的基因至少有218個非等同基因,揭示出雞跟人類有一樣數(shù)量的嗅覺受體基因,這些嗅覺基因在它們的行為中也許起著比以前以為更多的作用,也許起作跟在人類中不同的作用,這是當(dāng)前最熱門的禽類嗅覺與嗅覺基因研究。雞與哺乳動物和魚基因組相比,證實了廣泛的基因保守性共線型,可能人類基因組與雞之間比人類與鼠之間發(fā)現(xiàn)的保守性更多。雞代表哺乳動物與魚之間比擬的一個中間進化水平,使得它對確定脊椎動物基因組的必要特性很有用,除此之外,它能夠用于評測進化期間發(fā)生的基因組變化,像染色體重組和進化率的變化?；蚪M分析能給我們提供大量的關(guān)于禽類生物的信息,這些信息將會利用在農(nóng)業(yè)以及很多不同基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。雞的數(shù)量性狀基因位點與相關(guān)的農(nóng)業(yè)與醫(yī)學(xué)結(jié)合,既促進發(fā)展更多的精妙多肽性又促進構(gòu)建影響有趣數(shù)量性狀的功能多肽性框架,以致于充分地利用雞的遺傳潛力。雞作為一個生物種類模型將提供對復(fù)雜生物的整體認(rèn)識。認(rèn)識病毒與基因互相