收藏本站
《广西大学》 2019年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

广西巴马小型猪全基因组测序及分析研究

张笠  
【摘要】:猪作为一种重要的生物医学模型用来研究人类疾病已经有几十年历史了。广西巴马小型猪(又称巴马小型猪,Bama mini pig(BM pig))是一种以巴马香猪(Bama xiang pig(BX pig))经过30多年封闭繁育形成的一个遗传稳定的近交群体(近交系数0.8)。巴马小型猪具有与人类相似的解剖学结构和生理学特点,以及体型小易饲养、遗传背景清晰、基因纯和度高和近交耐受性强等特征。近年来,巴马小型猪已经被广泛应用在不同的生物医学研究领域。尽管巴马小型猪已经被作为实验动物大量应用,但是依然存在一些因素阻碍了巴马小型猪的推广,其中巴马小型猪高质量基因组序列和全面的基因表达文件的缺失是一个关键的因素。在本研究中,我们首先选择了二代测序、10× Genomics、三代测序技术和Hi-C技术对巴马小型猪基因组序列图谱进行了绘制,得到了一个高质量的巴马小型猪全基因序列;其次我们使用二代测序技术对巴马香猪基因组进行了测序和简单组装,并对巴马小型猪和巴马香猪进行了群体重测序,通过全基因组变异检测深入剖析了长期近交对于巴马小型猪基因组产生的影响;利用比较基因组分析,对巴马小型猪一些特殊性状形成的进化机制做出深刻的解释;最后,利用高脂高糖诱导的巴马小型组和杜洛克猪,以已经组装好的巴马小型猪基因组为参考序列,通过转录组测序挖掘与糖尿病易感性相关的LncRNA。研究结果如下:1.使用153.59×二代测序数据、71.97× 1O×Genomics测序数据、20×三代测序数据和106×Hi-C测序数据,最终组装得出巴马小型猪染色体水平全基因组图谱。巴马小型猪基因组大小为2.46Gb,与之前所公布的猪基因组大小相接近;其ContigN50长度为1.03Mbp,ScaffoldN50达到了 140.06 Mbp。巴马小型猪基因组测序不仅应用了多种测序技术,而且总测序数据量达到了惊人的900×,这种的测序策略保证了非常高的单碱基正确性。基因组组装CEGMA及BUSCO评估结果显示巴马小型猪94.35%的核心真核基因和94.5%的保守脊椎动物基因被完全组装了出来,说明了巴马小型猪基因组具有很好的完整性。为了更好的对巴马小型猪基因组进行注释,我们对巴马小型猪10个组织(大脑、肝脏、心脏、脾脏、肺、肾脏、胰腺、胃、骨骼肌和脂肪)进行了转录组测序。注释结果表明,巴马小型猪基因组包含20988个蛋白质编码基因,其中94.8%的基因功能都被预测出来,平均每个基因包含8.61个外显子且编码序列长度为1509.03bp。此外,巴马小型猪基因组中还包含了 37.04%的重复序列,并且包含了一部分非编码RNA序列,包括 0.0312%miRNA、0.0136%tRNA、0.0014%rRNA 和 0.0084%snRNA。2.巴马小型猪和巴马香猪的短reads全基因组重测序分析结果显示,在所有常染色体及X染色体中,巴马小型猪的核酸多态性(nucleotide diversity,Pi)都显著低于巴马香猪核酸多态性。这一结果从基因组水平深度阐述了巴马小型猪近交水平,表明了巴马小型猪已经是一个近交程度高、遗传稳定性高的群体。此外,完成了巴马香猪基因组草图的绘制(contig N50 size of 11.87Kb,a scaffold N50 size of 99.2 Kb and a total of length of 2.57 Gb),并利用巴马香猪基因组与巴马小型猪基因组,绘制了巴马香猪和巴马小型猪之间的第一个全面的基因变异图谱,为进一步研究长期近交产生的SNP、Indel、SV和CNV的变化提供了基础。对这些遗传变异进一步分析后发现,大量长片段的变异都位于与能量代谢、嗅觉和免疫特性有关的基因上,说明了长期近交使得巴马小型猪和巴马香猪在这些方面发生了较大的进化分歧。变异检测研究结果还可以进一步应用在巴马香猪和巴马小型猪遗传多样性和种群结构等研究中,并且能够更好的促进巴马香猪和巴马小型猪的保种和利用。3.对巴马小型猪与其他哺乳动物特别是猪的进行了全基因组比较。哺乳动物同源基因聚类结果显示相比于其他哺乳动物,除了猕猴以外,巴马小型猪的单拷贝同源基因数目是与人类最接近的。并且发现巴马小型猪具有一些特有的基因,其中有些基因的功能与人类疾病相关,有些基因功能与巴马小型猪性早熟及对糖尿病环境抵抗力低有关。这些特有基因表明选择巴马小型猪作为实验动物研究某些疾病具有独特的优势。系统发育树分支长度显示出杜洛克猪经历了一个快速进化的过程,标志着相比于杜洛克猪,巴马小型猪整体蛋白质与人类蛋白质之间的遗传差异更小。对同源蛋白进一步研究,结果显示,相比于杜洛克猪,巴马小型猪与人接近的同源蛋白数目更多,并且特有的更为接近于人的蛋白影响范围极其广泛,说明巴马小型猪作为动物模型的适用范围广泛。此外,对8种人类常见疾病相关的蛋白质进行分析,结果显示巴马小型猪与人类平均相似度较高,表明了巴马小型猪非常适合用于这些人类疾病研究。4.在基因家族收缩与扩张方面,巴马小型猪细胞色素P450(CYP)超家族中的大量亚家族(CYP3A、CYP4F、CYP4A、CYP2J和CYP2E)出现了收缩,这些家族被认为与骨骼形成、精子睾丸发育、水重吸收、药物代谢有关,这些结果可能与巴马小型猪小体型、性成熟早、对高温生活环境适应以及退化的药物代谢能力等性状形成相关。此外,与巴马小型猪比较,杜洛克猪HOXB3、HOXD11和LCORL基因发生正选择,而巴马小型猪这些基因没有发生正选择,这些变异可能与巴马小型猪胸腰椎数量(17-19)较杜洛克猪(21-23)减少有关;相比于杜洛克猪,巴马小型猪CHAD基因发生了正选择,这可能是巴马小型猪腓骨较杜洛克猪显著缩短,体型较矮的重要形成因素之一。巴马小型猪较杜洛克猪性成熟早,可能与巴马小型猪CDK7基因的正选择有关系。杜洛克猪正选择基因富集到大量与能量代谢相关的GO和KEGG结果中,而巴马小型猪富集到的与能量代谢相关的种类较少,并且大部分杜洛克能量代谢相关的正选择基因与人的相似度均低于巴马小型猪与人的相似度。这些结果说明由于杜洛克猪强烈的快速进化,使得能量代谢系统以及能量代谢疾病分子机制都不如巴马小型猪更接近于人。中枢神经系统(CNS)对能量代谢的调控影响动物对糖尿病环境的抵抗性。巴马小型猪CNS中有神经递质作用的正选择基因及与能量代谢相关的正选择基因与杜洛克猪较大差异,这些结果可能是巴马小型猪对糖尿病环境抵抗能力较低的重要原因之一。5.对巴马小型猪和杜洛克猪分别进行高脂高糖饲喂,并利用深度RNA转录组分析对糖尿病易感性进行了解析。实验结果表明,巴马小型猪和杜洛克猪肝脏中 3 个差异 lncRNA(XLOC_006422,XLOC_026958,XLOC_044402)以及肌肉中 3 个差异 lncRNA(XLOC_003015,XLOC_023027,XLOC_026564)通过作用于两个差异表达的mRNA(PGC-1 α和PEPCK)对糖尿病易感性产生影响。本研究利用多种测序技术对广西巴马小型猪进行全基因组测序及组装组装,并基因组进行了全面注释。随后,利用全基因组重测序技术,从全基因组水平展示了巴马小型猪近交程度高的特点;同时进行了巴马香猪基因组测序及简单组装,利用巴马小型猪基因组、巴马香猪基因组和杜洛克猪基因组,获得了三种猪之间基因组变异的详细信息。此外,通过比较基因组分析,将巴马小型猪与其他多个哺乳动物进行对比,获得巴马小型猪基因家族聚类、进化树、物种分歧时间、基因家族扩增和收缩、正选择等详细信息,从基因组层面揭示巴马小型猪作为实验动物的优势。最后,利用巴马小型猪和杜洛克猪高脂高糖饲喂模型进行转录组分析,进一步分析了 lncRNA对糖尿病易感性的影响。
【学位授予单位】:广西大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:S828

中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026


丁香五月 啪综合