【中英文題目】
英國胡椒蛾的工業(yè)黑化突變是由轉座因子所致
The industrial melanism mutation in British peppered moths is a transposable element
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【基本信息】
期刊：NATURE
IF：38.138
年份：2016
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【摘要】
燃料對環(huán)境造成的改變導致的突變仍然是生物進(jìn)化的主要挑戰，最顯著(zhù)的例子就是英國胡椒蛾Biston betularia（樺尺蠖），由于工業(yè)革命期間鳥(niǎo)類(lèi)捕食以及煤炭污染的影響，以前普遍的淺色品種(pale typica)被黑化型品種(carbonaria?typica)所代替。Carbonaria的基因被定位于200kb的范圍內，但是，控制carbonaria?typica的基因多態(tài)性與一致性依然未知。本研究表明導致英國工業(yè)黑化現象的突變主要是在皮質(zhì)層基因的第一個(gè)內含子內的基因插入、串聯(lián)重復以及轉座因子。對黑化型單體重組的統計學(xué)推論表明轉座事件大概發(fā)生在1819年，此推論與歷史記載相一致。對在早期翅芽發(fā)展階段的carbonaria轉座因子的模式進(jìn)行分析發(fā)現皮質(zhì)層轉錄表達提高，控制細胞周期調控的蛋白產(chǎn)量也相應增加。本研究填補了自然選擇下的種內進(jìn)化的變化機制的空白，并對其適應機制有了更深入的了解，此外，對轉座因子的了解有利于對主要表型的“跳躍基因”進(jìn)行近一步研究。
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【研究思路】
取材：
研究樣本取自來(lái)自英國北部威爾士的carbonaria（黑化型胡椒蛾）以及insularia（黑化型胡椒蛾的另外一種突變體）
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文庫構建以及測序策略：
利用B. betularia基因、B. mori nscaf2829 (SilkDB)同源基因以及BAC-end末端序列構建擴展的BAC參考基因文庫，通過(guò)Roche 454 GS FLX Titanium測序得到3-kb mate-pair文庫；通過(guò)Pacific Biosystems RS II構建fosmid文庫
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信息分析：
【研究結果】
1、黑化型突變體候選基因的位置與結構分析
之前已經(jīng)有研究將胡椒蛾黑化型基因定位在400-kb的范圍之內，其中含有13個(gè)基因和2個(gè)microRNAs，但是沒(méi)有一個(gè)是參與黑化型或翅膀發(fā)育過(guò)程的，因此，本研究擴大了關(guān)聯(lián)分析的樣本量并使用間隔更小的遺傳標記，將參與黑化型的候選基因范圍縮小到100kb（圖1a）。B. betularia的皮質(zhì)層由8個(gè)次要外顯子、兩個(gè)首要外顯子（1A 和1B，在翅膀發(fā)育過(guò)程中首要表達）以及一個(gè)較大的內含子（圖1b）。圖1c中，carbonaria插入序列由21,925個(gè)核苷酸構成，包括大概9-kb的非重復序列。研究者認為，黑化型變異的關(guān)鍵是該內含子的插入缺失。
圖1 黑化型突變體候選基因的位置與結構??a. 大約400-kb的候選基因區域（分別以標記基因b和d為界線(xiàn)）展現出基因含量、基因型位置（灰色條形上的垂直線(xiàn)）以及每個(gè)基因的內含子外顯子的結構與位置；b. 對候選基因區域的重定義，灰色條形上的垂直線(xiàn)表示候選基因多態(tài)性，圖中可以看出carbonaria（黑色）和typica（斑點(diǎn)）的皮質(zhì)層內含子與外顯子的結構，不難發(fā)現，在第一個(gè)內含子內有大約22kb的插入缺失（橙色）；c. 反映出候選基因區域內carbonaria–typica的多態(tài)性以及carbonaria序列中插入部分的結構，黑色核苷酸表示靶位點(diǎn)重復序列，紅色核苷酸表示反向重復序列。Typica單體型缺失了4堿基的靶位點(diǎn)序列、反向重復序列以及核心插入序列。轉座子包含了3個(gè)重復單元，每個(gè)重復單元又包含了3個(gè)短串聯(lián)重復單元（綠點(diǎn)，SRU1–SRU9）
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2、黑化型突變體的重組形式以及發(fā)生的時(shí)間
為了了解黑化型突變體的重組模式，研究者對黑化型和非黑化型的基因型進(jìn)行分析，圖2a表明50%的黑化型(carb-TE)突變體保留了祖先黑化型單倍體的特征，圖2b反映出由于遺傳距離增加而導致的連鎖不平衡下降可能是由于基因的選擇性清除造成的。研究者還對黑化型突變發(fā)生的時(shí)間進(jìn)行推測，圖2d反映的是carb-TE突變體發(fā)生的時(shí)間的概率密度曲線(xiàn)，在1819年出現極大值，這與1848的記載是一致的。
圖2 carb-TE突變的重組模式及變化 ?a. 黑化型(carb-TE (橙色)) 與非黑化型(typica and insularia (淺灰色))單倍體的最近重組，深灰色區域為重組頻繁發(fā)生的區域；b. 黑化型和非黑化型單倍體在相同序列窗口的多基因連鎖不平衡(rd)灰色區域為99%置信區間，紅線(xiàn)表示根據模擬在極端假設下的上限，假設所有定義黑化型單倍體的等位基因都是相對獨立的；c. 黑化型單倍體（黑色）基因滲入到非黑化型單倍體（灰色），紅線(xiàn)表示基于模擬的期望值；d. 根據重組模式推測carb-TE突變體發(fā)生時(shí)間的概率密度，虛線(xiàn)表示1819年概率密度最大，1848年（點(diǎn)劃線(xiàn)）進(jìn)行首次記載。
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3、B. betularia發(fā)育中的翅膀的皮質(zhì)層的相對表達
Biston皮質(zhì)層含有許多剪接異構體，本研究將注意力集中在以外顯子1A和1B起始轉錄的群體，圖3a中在第六幼蟲(chóng)齡期(La6) 和4天的前蛹期(Cr4)之間，所有異構體的累計表達逐漸增加，與翅膀的形態(tài)發(fā)生階段相一致（圖3b），之后在6天的前蛹期(Cr6)又到達較低的水平。為了排除可能不存在作用的異構體的影響，研究者只將研究目標鎖定在以1A和1B起始轉錄的群體。1B起始轉錄的結果顯示擁有不同遺傳背景的幾個(gè)家族(c/c > c/t > t/t)擁有相對一致的表達趨勢，不同基因型之間的表達差異顯著(zhù)（特別是Cr4時(shí)期），而以1A起始轉錄的結果中，不同基因型之間并沒(méi)有表現出很大的差異。
圖3 ?B. betularia發(fā)育中的翅膀的皮質(zhì)層的相對表達??a. 翅芽在不同發(fā)育階段的表達（La6, 六齡幼蟲(chóng); Cr2, 兩天的爬蟲(chóng); Pu2, 兩天的蛹; PDP, 滯育后的蛹）；b. B. betularia不同發(fā)育階段的前翅圖像；c.d. 由黑化型基因型c/t × c/t雜交得到的后代含有三種基因型(c/c, c/t和t/t)，圖3c和3d分別表示其前翅在不同發(fā)育階段的皮質(zhì)層1B (c) 和1A (d)的相對表達，1B轉錄本的基因型差異顯著(zhù)，而1A轉錄本的差異并不顯著(zhù)。
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【研究結論】
1、 長(cháng)期以來(lái)，由于不精確剪切導致轉座因子對表型的影響一直都被忽略，本研究通過(guò)英國胡椒蛾工業(yè)黑化現象，表明導致其突變的因素主要是在皮質(zhì)層基因的第一個(gè)內含子內的基因插入、串聯(lián)重復以及轉座因子。
2、 此外，對黑化型單體重組的統計學(xué)推論表明轉座事件大概發(fā)生在1819年，此推論與歷史記載相一致。
3、 對在早期翅芽發(fā)展階段的carbonaria轉座因子的模式進(jìn)行分析發(fā)現皮質(zhì)層轉錄表達提高，控制細胞周期調控的蛋白產(chǎn)量也相應增加。研究者認為，黑化型突變體的發(fā)生可能是通過(guò)改變鱗細胞時(shí)性發(fā)育從而增加了皮質(zhì)層豐度。
4、 本研究填補了自然選擇下的種內進(jìn)化的變化機制的空白，并對其適應機制有了更深入的了解，此外，對轉座因子的了解有利于對主要表型的“跳躍基因”進(jìn)行近一步研究。
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【所用軟件及數據庫】
Newbler：是羅氏454開(kāi)發(fā)的針對454測序數據進(jìn)行組裝的軟件，不同于Illumina測序的fastq格式，454下機數據是sff格式，無(wú)法查看，可以用sffinfo進(jìn)行轉換。
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HGAP：分層基因組組裝過(guò)程，是PacBio官方的組裝pipeline。
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SHAPEIT：是專(zhuān)門(mén)用于對推斷基因組單體型的軟件，由牛津大學(xué)的團隊所開(kāi)發(fā)，并且一直應用與千人基因組計劃中。