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基因定位

非模式物种鲑鱼中的结构变异研究

发布日期:2020-12-03 浏览次数:1111


The structural variation landscape in 492 Atlantic salmon genomes


在492个大西洋鲑鱼基因组中结构变异的研究


期刊:Nature communications        IF: 12.121


研究背景

       现代遗传学仍主要关注于SNP分析,而与SNP相比,结构变异(SVs)可在基因组中影响更大比例的碱基,具有更多的调节作用,可改变许多基因的结构、表达、数量、调控等,但仍很难使用全基因组序列数据进行精确分型。鲑科鱼类在鱼中具有最高的经济生态和科学重要性,且在SVs中尚未有所研究,因此被用作各种分子标记的遗传学研究。


材料方法

       全基因组测序:472只随机挑选的大西洋鲑鱼(21个养殖品种,80个加拿大野生品种,359个挪威品种,8个波罗的海品种,4个白海品种);NCBI的20个养殖样本

平均覆盖深度:8.1╳

结果分析

大西洋鲑鱼精确SV变异的发现

       对492个样本进行SV鉴定得到高质量的SV 15,483个 (14,017个缺失,1244个重复,242个倒位),其基因组位置如图1a,b所示。缺失片段的平均大小为1532 bp,重复为8183bp (图1c,d)。倒位的平均大小为121,935bp (图1e)。在1432–1436bp处的异常峰值仍保留在高置信度的缺失片段中(图1c)。对SV结果进行验证,其准确率在80%以上。利用群体遗传结构的分析进一步确认数据质量,发现对于所有的SV类型,PCA分析可将不同的品种区分开。

Fig.1 492个大西洋鲑鱼基因组中的SV变异

a:SV与Ss4R WGD保留的重复区域的同一性:low:<90%,elevated:90-95% high:>95%,telomeric:端粒区;b:基因组圈图;c:结构缺失变异的大小分布;

d:结构复制变异的大小分布;e:结构倒置变异的大小分布;f:野生种群的采样地点;g: 14017个缺失的PCA分析;h:1244个复制的PCA;i:242个倒置的PCA

j:14017个缺失的 NGSadmix分析



大西洋鲑鱼SVs注释

       根据ICSASG_v2参考基因组使用SnpEff注释所有的SV。许多SV定位在基因间隔区和内含子区,其中62%、3%和2.5%分别位于蛋白质编码基因、长链非编码RNA基因或假基因的5 kb内。大约一半(49%)的SVs与一个或多个RefSeq基因重叠,其中大多数与单个基因重叠,共有8439个基因重叠。GO分析可得不同类型SV主要富集在抗性与物质运输相关的通路中。



鲑鱼进化中的DNA转座子

       参考ICSASG _ v2基因组中1332-1436bp长度内高置信度区间内的变异体,研究鲑鱼缺失SV的异常峰 (图1c) ,发现缺失SV可在很大程度上代表完整的pTSsa2序列。结合大西洋鲑鱼、褐鳟、虹鳟等多个属的系统发育分析,可得大西洋鲑鱼中pTSsa2序列显著扩张(图2)。说明进化过程中,在Ss4R WGD事件之后转座子比较活跃的,是基因组再扩增的核心。




基因组复制对SV的影响

       鲑科鱼类基因组保留了来自Ss4R(同源四倍体化)的全部复制特征,至少有一半保留的基因编码蛋白质,属功能性复制(ohnologs)。通过对大西洋鲑鱼WGD事件的分析,发现在Ss4R ohnolog中有功能冗余的基因比缺乏功能冗余的单个基因更容易发生SVs。并通过对15个组织材料的转录组测序证明了缺失SV发生的ohnologs表达量减少。总的来说,Ss4R WGD事件应该是通过基因的功能冗余来影响缺失SV的发生。


大西洋鲑鱼驯养过程中SVs的选择

       研究为验证驯化过程中养殖与野生鲑鱼处在不同的选择进化中,基于包括所有欧洲鲑鱼的主成分分析选择野生个体,消除地理分布的混杂效应(图3a),对34种挪威养殖鲑鱼与257种挪威野生鲑鱼进行选择性清除分析,通过计算FST值(图3c),得到584 个SV(图3b),通过GO分析鉴定出132个过表达生物学过程,包括326个基因,其中有156个与动物行为习性与神经系统显著相关。转录组分析验证这些基因在大脑中的表达特异性和表达水平显著提高(图3d,大脑基因表达特异性-上图;表达水平-下图)。



fig.3养殖与野生大西洋鲑鱼的SVs遗传分化



驯化选择的SV与许多突触基因有关

       通过对已知156个与SV相关的基因的蛋白质组研究,发现这些蛋白质由参与突触形成、传递和可塑性的保守基因家族的多个成员编码。这些蛋白质中的大多数直系同源物的遗传破坏可导致哺乳动物的行为或神经障碍。为了研究在驯化过程中选择对突变体的作用,研究比较了野生鱼和养殖鱼的等位基因频率(图4)。发现养殖鱼中杂合子(携带一个SV拷贝,0/1)和纯合子(携带两个SV拷贝,1/1)的频率增加,许多与65个突触基因相关的SV位于非编码区,其他可通过更多的基因复制影响编码区。



fig.4大西洋鲑鱼驯化过程中选择的SVs与65个编码突触蛋白的独特基因相关



驯化改变的主要效应SVs

       研究进一步验证了32个SVs,这些SVs主要对基因结构和功能有重要的影响,与野生大西洋鲑鱼相比,养殖鲑鱼的等位基因频率明显增加。对SV的分析表明,由于选择性压力或漂移的改变,大西洋鲑鱼的驯化还可改变神经和行为途径以外的不同基因功能。



小结

       本研究以驯化养殖群体与地理位置上广泛分布的野生鲑鱼群体为样本,群体数量较大,使用WGSA,依靠可靠的SV-plaudit方法鉴定出15,483个高置信度区间内的SV。这些SV可以可靠地恢复群体遗传结构,包括一个活跃的DNA转座子,并发现与原始祖先保留的基因有更多的重叠。且野生群体与驯化群体间SV等位基因频率的变化表明在驯化过程中对行为特征的多基因选择,与人类神经紊乱相关的脑表达突触网络相关。这项研究为SV在基因组进化和驯化性状的遗传结构中的作用提供了新的见解,实验检测方法有利于在非模式物种中发现可靠的SV变异。