为了避免原创争议,后面的文献不再进行逐句翻译,而是以高度概括的形式,把原文要点展示出来,有兴趣的读者可以参考文章底部的文献来源。
转座子在基因组上的分布取决于两个因素, 即转座子自身转座位点的选择倾向性(如,倾向于在某些基因组区域进行转座插入),和转座子插入后受到自然选择作用的大小。
一般而言,转座子的插入对宿主基因组是不利的,比如转座相关的RNA和酶对宿主细胞有害,转座子序列可能导致染色体的异位重组等。因而受到负向选择的作用purifying selection
,这些转座子可能会被从基因组中清除掉。
一般而言,我们可以通过了解转座子在不同基因组区域的分布来判断其受到负向选择的大小。比如,如果转座子很少出现在编码区,说明在编码区的插入受到较大的负向选择作用。但是,这一做法的前提是假设转座子的插入在宿主基因组上是随机均匀分布的。越来越多的研究表明,转座子的插入其本身就具有选择倾向性,并不是随机在基因组中插入的。
本研究以拟果蝇Drsophila simulans
为研究材料,进行了进化重测序实验Evolve and resequencing
,这也是本研究的一个亮点。实验分为两个阶段,第一个阶段,是小群体的进化,这种情况下,自然选择作用很小,遗传漂变占主导作用,转座子可以在小群体中转座扩增。第二个阶段是将上述小群体果蝇转入到大群体的实验设计中,群体数量很大,饲养传代10代,这种情况下,转座子受到较强烈的自然选择作用,群体中有些转座子会被清除掉。
本研究针对的转座子是DNA - P转座子,其大概有2.9 Kb长。P转座子是近期(一百年内?)入侵到果蝇中的,入侵事件发生在拟果蝇和黑腹果蝇分化之后,即各自独立发生。为了比较P转座子的插入位点,本研究比较了P转座子在两种果蝇中的插入位点分布,识别一些共同插入位点shared sites
.
结果
在本实验中的单雌系拟果蝇中,P转座子的数量在2-6年的实验室饲养过程中发生了明显的增加,平均每个单倍体基因组增加了11个P转座子拷贝。
在第一个小群体数量的阶段之后,检测群体中的P转座数量和分布,发现P转座子在编码区分布很少,而在5‘UTR区分布明显较多,特别是在起始识别复合体origin recognition complex,ORC
。
在第二个大群体阶段,P转座子受到较强负向选择作用。本研究比较了不同基因组区域的P转座子在经历第二个阶段之后的命运,即是否能够得到保留,还是被清除掉了。结果显示,P转座子在不同的基因组区域有不同的结局,除了基因间区和5'UTR 区,P转座子均受到了较强的负向选择作用。特别是在编码区,负向选择作用最强。同时,和单核酸位点突变不同,P转座子的插入几乎都是显性的。
ORC是P转座子选择性插入区域,同时该区域的P转座子受到了较弱的负向选择作用。
对拟果蝇和黑腹果蝇共有位点的比较,发现P转座子在这些位点的分布和ORC区域类似,存在插入的选择倾向性,同时受到较弱的负向选择作用。
本研究还比较了单核苷酸位点突变在ORC或者共有位点区域受到的选择压力,看它们是否会像P转座子那样受到相对较弱的负向选择。结果发现,这些区域的单核苷酸位点突变受到的负向选择压力不但没有减弱,反而是更强了。
结论
ORC区域和共有位点区域不仅是P转座子插入的优先选择位置,也是其受负向选择压力较弱的区域。转座子在不同基因组区域受到不同的负向选择压力,这是影响转座子在基因组上分布的一个重要因素。
资料来源:Langmüller, A. M., Nolte, V., Dolezal, M., & Schlötterer, C. (2023). The genomic distribution of transposable elements is driven by spatially variable purifying selection. Nucleic Acids Research, gkad635.