（农业昆虫与害虫防治专业论文）昆虫基因组密码子使用及进化分析.pdf

山东农业大学博士学位论文 摘要 随着测序技术的不断发展，目前已经获得了大约2 0 多种昆虫的全基因组和大约1 0 0 多种昆虫的线粒体基因组序列。然而单纯获取全基因组序列已经不能满足科学研究的需 求，要求研究人员对已知基因组序列进行深入分析和研究，进而挖掘其中隐含的生物学 和物种进化信息。现在数据库中的基因序列呈指数级增加，相应的分析工具也是与日俱 增，这为生物学工作者提供了极大的方便。 昆虫属于节肢动物门、六足总纲、昆虫纲，是地球上已知种群数目最多的一个类群。 昆虫学的研究对于维持地球生态平衡、促进可持续发展、防治农业和林业病虫害具有极 其重要的作用。在昆虫细胞内主要有两个基因组，核基因组和线粒体基因组。核基因组 具有较多的非编码区、重复序列、内含子以及大量的重排现象，不同的物种间具有比较 大的差异；线粒体基因组的组成则在同一个动物门中具有较高的保守性，一般情况下是 一个双链闭合环状结构，它包含1 3 个蛋白编码基因，2 个核糖r n a ( r r n a ) 的编码基 因以及2 2 个转运r n a ( t r n a ) 的编码基因。此外，在大多数昆虫细胞内寄生着一种内 共生菌w o l b a c h i a ，它是一种革兰氏阴性a l p h a - 蛋白菌，它主要感染节肢动物和丝虫。它 可以通过诱导孤雌生殖、雄性雌性化、杀雄以及精卵不相容等生殖操纵而改变寄主的生 物学特性。 本研究将使用对应分析、卡方检验和似然比检验等生物信息学的方法来检测昆虫中 所包含的核基因组、线粒体基因组和w o l b a e h i a 核基因组的密码子使用偏好性、密码子 进化趋势以及各个基因组之间密码子使用的相关度。 线粒体基因所编码的蛋白对于维持生物体的生命活动具有重要意义。故本研究对昆 虫线粒体基因组的密码子组成和t r n a 分子的使用情况进行了统计分析。结果表明，在 昆虫线粒体基因组中，有1 0 种最优密码子与对应t r n a 分子上的反密码子不能完全匹 配。这一结果与哺乳动物、鱼类以及真菌的线粒体基因组中密码子使用情况是不同的。 故推测昆虫线粒体基因组中的密码子使用没有受到t r n a 丰度的影响，它们是独立于 t r n a 分子的丰度进化而来的，并且这种不匹配的现象在昆虫线粒体基因组中是普遍存 在的，其机理还有待于进一步的研究。 线粒体基因所编码的蛋白不能单独起作用，它需要核基因所编码的蛋白共同组成细 昆虫基因组密码了使用及进化分析 胞内电子传递链上的复合体来参与完成氧化磷酸化过程。氧化磷酸化过程是细胞中唯一 一个同时有核基因和线粒体基因共同参与的过程，它们之间存在着协同进化关系。本研 究以黑腹果蝇( d r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r ) 为对象，探讨参与氧化磷酸化过程的核基因以 及线粒体基因的密码子组成情况。研究结果显示黑腹果蝇氧化磷酸化系统中核基因的密 码子组成主要受到翻译选择和基因组碱基组成的影响：而线粒体基因的密码子组成，通 过对应分析并没有发现主要影响因素，可能和细胞器的起源有关，并不受到功能的限制。 尽管黑腹果蝇氧化磷酸化系统中的核基因和线粒体基因具有相关的功能并且彼此之间 是协同进化的，但它们具有明显不同的密码子使用模式，因此这种协同进化作用主要是 通过基因所编码蛋白的三级结构体现出来的。通过统计检验表明，核基因和线粒体基因 的密码子组成都受到了碱基关联突变( c o n t e x t d e p e n d e n tm u t a t i o n ) 的影响。 除核基因组和线粒体基因组之外，昆虫细胞内可能还包含胞内共生菌w o l b a c h i a 的 基因组。由于w o l b a c h i a 的基因组和昆虫的线粒体基因组具有较高的相似度，如共同的 祖先a l p h a 蛋白菌，以及母系遗传的特点，故可能从w o l b a c h i a 核基因组和昆虫线粒体 基因组的密码子组成或基因组组成的方面来进一步寻找它们共同起源的证据。本研究以 黑腹果蝇中的专性胞内寄生菌w o l b a c h i a p i p i e n t i sw m e l 为研究对象，分析表明w o l b a c h i a p i p i e n t i sw m e l 基因组具有较高的a t 碱基含量，并且不管是高表达基因还是低表达基因 都倾向于使用富含a t 的密码子。n c p l o t 结果显示基因组碱基组成可能是影响密码子组 成的因素。对应分析显示基因组中的密码子组成还可能受到基因长度和基因表达水平的 影响。w o l b a c h i ap i p i e n t & w m e l 作为革兰氏阴性a l p h a 蛋白茵，它的基因组与动物线粒 体基因组具有的相似之处，如较高的a t 碱基含量，可以进一步印证w o l b a c h i a 和线粒 体之间的密切关系。 以上分析过程中，本研究选用了一个重要参数：c a i ( c o d o na d a p t a t i o ni n d e x ) ，该参 数尽管存在一定的争议，却具有比较大的用途。在刚测出全序列的基因组中，有些基因 的表达水平通过实验验证比较费时间，且成本比较高，那么就可以使用c a i 值来估计一 些未知基因的表达水平高低。c a i 值我们称为密码子适应指数，它的变化范围位于o 到 1 0 之间。它的值越高意味着具有较高的密码子偏好性，以及较高的表达水平。目前， 有1 0 条果蝇的全基因组被成功测序，为生物学研究提供了足够的数据支持。本研究下 载了7 种果蝇中与侵略性( a g g r e s s i v e ) 相关的基因c y p 6 a 2 0 ，通过比较这7 种果蝇的 c y p 6 a 2 0 基因的c a i 值，本文对这7 种果蝇的侵略性水平进行了推测。需要声明的是， 2 山东农业大学博十学位论文 由于缺少行为学的直接证据，且c a i 值的计算也存在偏差，结果可能会出现误差，但是 c a i 值在后基因组时代的应用会越来越广泛。 基于密码子水平上的选择压力分析对于研究基因进化具有重要作用。本研究讨论了 昆虫细胞色素氧化酶亚基i ( c o i ) 的适应性进化。昆虫作为地球上最大的一个类群，尽 管同一个动物门中的线粒体基因组比较保守，但是它们在序列上还是有明显的不同。随 着后基因组时代的到来，有越来越多的昆虫线粒体基因组被测序，这为研究昆虫中c o l 基因的系统进化提供了新的角度。通过对3 l 条昆虫线粒体中蛋白编码基因c o l 的分析， 表明c 0 1 基因受到了较强的净化选择压力。但是昆虫所面临的生存压力在不同的物种中 是不同的，c 0 1 基因自身必须发生进化以适应各自的环境压力。通过p a m l4 0 中的 c o d e m l 程序以及三对模型进行选择压力分析，只在m o d e l7 & m o d e l8 的比较中，检测 到了1 2 个受到正选择压力的氨基酸位点，但只有第3 9 5 个位点受到了显著的正选择压 力，其余1 1 个位点没有受到明显的j 下选择压力。这一结论和以前关于线粒体基因的进 化特点是吻合的，从另一个角度也验证了线粒体基因的保守。 关键词：昆虫：核基因组：线粒体基因组：密码子：氧化磷酸化：w o l b a c h i a ；适应性进化 山东农业大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to f s e q u e n c i n gt e c h n o l o g y , n u c l e a rg e n o m e so fa b o u t2 0i n s e c ts p e c i e s a n dm i t o c h o n d r i a lg e n o m e so fa b o u t10 0i n s e c ts p e c i e sh a v e b e e na c q u i r e d i no r d e rt ou n v e i l t h eh i d d e nb i o l o g i c a la n de v o l u t i o n a r yi n f o r m a t i o n ，i ti sn o te n o u g ht oa c q u i r eo n l yg e n o m e s e q u e n c e d e e pa n a l y s i so fk n o w ng e n o m ei sn e e d e d n o w a d a y s ，t h e r ea r ei n c r e a s i n gd a t ai n t h ed a t a b a s e ，t h ec o r r e s p o n d i n ga n a l y s i st o o l sa r ea l s o i n c r e a s i n g ，w h i c hp r o v i d eg r e a t c o n v e n i e n c ef o rb i o l o g yr e s e a r c h e r s i n s e c t ( i n s e c t ，h e x a p o d ，a r t h r o p o d ) i st h el a r g e s tg r o u pi nt h ee a r t h t h es t u d i e so f e n t o m o l o g ya r ei m p o r t a n tf o rm a i n t a i n i n ge c o l o g i c a l b a l a n c eo ft h ee a r t h ，p r o m o t i n g s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，c o n t r o l l i n gi n s e c tp e s t si na g r i c u l t u r ea n df o r e s t r y t h e r ea r et w o g e n o m e si ni n s e c t s ，n u c l e a rg e n o m ea n dm i t o c h o n d r i a lg e n o m e t h e r ea r em a n yn o n c o d i n g r e g i o n s ，r e p e a ts e q u e n c e s ，i n t r o n sa n dr e c o m b i n a t i o nr e g i o n si nt h en u c l e a rg e n o m e s ，w h i c h a r ed i f f e r e n t a m o n gs p e c i e s ；t h ec o m p o s i t i o no fm i t o c h o n d r i a lg e n o m e sa r eu s u a l l y c o n s e r v m i v ei nt h es a m e p h y l u m ，w h i c he x i s t a sc l o s e dc i r c u l a rs t r a n d sw i t h 13 p r o t e i n - c o d i n gg e n e s ，2r r n ag e n e sa n d2 2t r n ag e n e s f u r t h e r m o r e ，w o l b a c h i aa sa n i n t r a c e l l u l a rb a c t e r i u mc o u l di n f e c tm o s ti n s e c t t h e ya r eg r a m - n e g a t i v ea l p h a p r o t e o b a c t e r i a ， a n dt h e yc o u l di n f e c tar a n g eo fa r t h r o p o d sa n df i l a r i a ln e m a t o d e s w o l b a c h i ac a na l t e rh o s t b i o l o g yb yr e p r o d u c t i v em a n i p u l a t i o ni ns e v e r a lm e a n ss u c ha si n d u c t i o no ft h e l y t o k o u s p a r t h e n o g e n e s i s ，f e r m i n i z a t i o no fg e n e t i cm a l e s ，m a l ek i l l i n g ，a n de g g - s p e r mi n c o m p a t i b i l i t y o u rs t u d i e sm a k eu s eo fb i o i n f o r m a t i c sm e t h o d s ，s u c ha sc o r r e s p o n d i n ga n a l y s i s ， c h i s q u a r et e s t ，a n dl i k e l i h o o dr a t i ot e s ta n ds oo n ，t od e t e c tc o d o nu s a g eb i a s ，t r e n do f c o d o nu s a g ee v o l u t i o na n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nn u c l e a rg e n o m e ，m i t o c h o n d r i a lg e n o m e a n dw o l b a c h i ag e n o m e t h ep r o t e i n sc o d e db ym i t o c h o n d r i a lg e n o m e sa r ei m p o r t a n tf o rm a i n t a i n i n gl i f eo f o r g a n i s m t h i ss t u d ya n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o d o nu s a g ea n dt r n aa b u n d a n c ei n i n s e c tm i t o c h o n d r i a lg e n o m e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ew e r e10o f2 2o p t i m a lc o d o n s c o u l dn o tp a i rw i t ha n t i c o d o n s t h i sf i n d i n gi si n c o n s i s t e n tw i t hp r e v i o u ss t u d i e si nm a m m a l ， f i s ha n df u n g a l s oi ti si n f e r r e dt h a te o d o nu s a g e sa r en o ti n f l u e n c e db yt r n aa b u n d a n c ei n 5 昆虫基冈组密码予使用及进化分析 i n s e c tm i t o c h o n d r i a lg e n o m e s ，a n db o t hc o d o nu s a g e sa n da n t i c o d o n se v o l v ei n d e p e n d e n t l y n o n o p t i m a lc o d o n a n t i c o d o nu s a g e sa r ec o m m o ni ni n s e c tm i t o c h o n d r i a lg e n o m e s ，a n dt h e m e c h a n i s mi sn e e d e dt ob ef u r t h e rs t u d i e d t h ep r o t e i n sc o d e db ym i t o c h o n d r i a lg e n o m e sc a nn o tw o r kb yt h e m s e l v e s ，a n dt h e y r e q u i r et h ep r o t e i n st h a t a r ec o d e db yn u c l e a rg e n e st om a k eu po ft h e m u l t i p r o t e i n c o m p l e x e so fe l e c t r o nt r a n s f e rc h a i n ( e t c ) ，i no r d e rt op r o d u c ee n e r g y , a n dt h i sp r o c e s si s c a l l e do x i d a t i v ep h o s p h o r y l a t i o n ( o x p h o s ) o x p h o sp r o c e s si st h eo n l yp r o c e s su n d e r c o n t r o lo f b o t hn u c l e a ra n dm i t o c h o n d r i a lg e n o m e s ，t h e yc o e v o l v ew i t he a c ho t h e r t h i ss t u d y t a k ed r o s o p h i l am e l a n o g a s t e ra sa ne x a m p l et oi n v e s t i g a t et h ed if f e r e n c e si nc o d o nu s a g e si n t h eg e n e sc o e v o l v e di nt h eo x p h o ss y s t e m r e s u l t ss h o w e dt h a tc o d o nu s a g e so fn u c l e a r g e n e s i n v o l v e di nt h eo x p h o ss y s t e mo fdm e l a n o g a s t e r p r i m a r i l ye x p e r i e n c e d t r a n s l a t i o n a ls e l e c t i o na n dn u e l e o t i d ec o m p o s i t i o n u s i n gc o r r e s p o n d i n ga n a l y s i s ( c o a ) ，n o s p e c i f i cf a c t o rc o u l db ei d e n t i f i e da sa f f e c t i n gc o d o nu s a g ei nm i t o c h o n d r i a lg e n e s ，w h i c h m a y b es u b j e c tt o i t so r i g i n ，n o tc o n s t r a i n e db yf u n c t i o n a l t h o u g hn u c l e a r g e n e sa n d m i t o c h o n d r i a lg e n e sh a v er e l a t i v ef u n c t i o na n dc o e v o l v ew i t he a c ho t h e r , t h e yh a v ed i f f e r e n t c o d o nu s a g ep a t t e r n s ，c o a d a p t a t i o nm a yo c c u r t h r o u g hs e l e c t i o no nt e r t i a r ys t r u c t u r e c o d o n u s a g e si nb o t hg e n o m e sa r ea f f e c t e db yc o n t e x t d e p e n d e n tm u t a t i o n s t h e r em i g h tb ea l s oa n o t h e ri m p o r t a n t g e n o m ee x c e p t f o rn u c l e a rg e n o m ea n d m i t o c h o n d r i a lg e n o m ei ni n s e c tc e l l s ，w o l b a c h i ag e n o m e b e c a u s et h eg e n o m eo fw o l b a c h i a i ss i m i l a rt ot h em i t o c h o n d r i a l g e n o m eo fa n i m a l s ，s u c ha s t h ec o m m o na n c e s t o r a l p h a - p r o t e o b a c t e r i a , m a t e r n a l l yi n h e r i t e d ，w h e t h e rt h ee v i d e n c e so fc o m m o no r i g i nc o u l db e f o u n di nt h ea s p e c to fc o d o n u s a g eo rg e n o m ec o m p o s i t i o ni nb o t hw o l b a c h i an u c l e a rg e n o m e a n di n s e c tm i t o c h o n d r i a lg e n o m eo rn o t ? t h i ss t u d yt o o kw o l b a c h i ap i p i e n t i sw m e la s e x a m p l e ，r e s u l t ss h o w e dt h a ta tc o n t e n tw a sv e r yh i g hi nw o l b a c h i ap i p i e n t i sw m e lg e n o m e ， a n da t - r i c hc o d o n sw e r es e l e c t e dr e g a r d l e s so fh i g he x p r e s s i o nl e v e lo rl o w e x p r e s s i o nl e v e l a nn c - p l o ts h o w e dt h a tt h eg e n o m em a ys u f f e rf r o man u c l e o t i d ec o m p o s i t i o nb i a s a n a l y s i s o fc o a s u g g e s t e dt h a tg e n el e n g t h ( r = 0 12 3 ，p o 0 1 ) a n dg e n ee x p r e s s i o nl e v e l ( r = 0 312 ，p i ：如果非同义替换的数日( 啪小于同义替换( 妁的数目，我们称之为净化选 择或负选择( p u r l 州n gs e l e c t i o no r n e g a t i v es e l e c t i o n ) ，即a t , 出 5 0 n u r n e r i c a ld a t a f o l l o w i n gt h eo r d e r o fi n s e c t si n d i c a t e st h ea v e r a g ea tc o n t e n ta n dt h es t a n d a r dd e v i a t i o n 昆虫基因组密码予使用及进化分析 表2 2 昆虫线粒体基因组中2 2 个同义密码子家族中的密码子和反密码子 t a b l e2 2t h ec o d o nu s a g ea n da n t i c o d o no f2 2s y n o n y m o u sc o d o nf a m i l i e si ni n s e c tm i t o c h o n d f i a l g e n o m e a a a aa cs c f c 。o d o na a a a a cs c fc o d o n a l a - g l y p r o s e r t h r l e u v ，a l g l u u g cg c n u c cg g n u g gc c n u g au c n u g ua c n u a gc u n u a cg u n u u cg a r g c a g c u g c g g c c g g u g g a g g c g g g c c u c c a c c c c c g u c u u c a u c c u c g a c a a c u a c c a c g c u a c u u c u g c u c g u u g u a g u g g u c g a a g a g g a a c a u g u u g c u g c a g u c g u g g a u c u u g u a u a a u c g u c a u u g u u y a u r 樾 a g n u g y g 蝌 g 心 a u y a g r u 挝 u u r c g n u g r c a r u u u u u c a u a a u g a a u a a c a g a a g u a g g a g c u g u u g c g a u g a c c a u c a c a u u a u c a a a a a g u a u u a c u u a u u g c g a c g c c g g c g u u g a u g g c a a c a g 一：联合密码子一反密码子使用c o m b i n e dc o d o n a n t i c o d o nu s a g e ：最优密码子一反密码子使用o p t i m a lc o d o n a n t i c o d o nu s a g e ：非最优密码子一反密码子使用n o n - o p t i m a lc o d o n - a n t i c o d o nu s a g e 表中黑体表示最优密码子b l a c kb o i ds t a n df o ro p t i m a lc o d o n s a a ：氨基酸a m i n oa c i d a c ：反密码子a n t i c o d o n s c f ：同义密码子家族s y n o n y m o u sc o d o nf a m i l y 3 2 f f m m n n s s s s c c d d h h i k k y y l l r r r r w w q q ：薹 加 渐 咖 细 墨 m 耻 趣 砷 锄 a a a a g g g g p p p p s s s s t t t t l l l l v v v v e e 山东农业大学博士学位论文 同义密码子u u a 和u u g ，其中u u a 的r s c u 值远高于u u g 的r s c u 值，所以u u a 是该同义密码子家族的最优密码子，并且可以和t r n a 分子上的反密码子完全匹配。对 于联合密码子一反密码子使用，这主要是针对四重密码子家族来说的，其中有两个同义 密码子的r s c u 值比较高。例如g l y ，它的同义密码子g g a 和g g u 的r s c u 值要明 显高于另外两个，但是这个密码子中只有g g a 可以和t r n a 分子上的反密码子完全匹 配。而在非最优密码子反密码子使用中( 表2 3 ) ，属于这种情况的最优密码子大部分 是以u 结尾，例如h i s ，其中密码子c a u 的r s c u 值明显高于c a c 的r s c u 值，但是 t r n a 分子上的反密码子的摇摆位点却是g ，故最优密码子和反密码子是不能完全匹配 上的，尽管根据“摇摆性”它们也是可以结合的。 昆虫线粒体基因组中t r n a 分子上的反密码子大部分都是一致的，但也有个别出现 例外。在联合密码子反密码子使用和最优密码子一反密码子使用中，这些密码子家族对 应的t r n a 分子上反密码子的摇摆位点是u ；而在非最优密码子一反密码子使用中，反密 码子的摇摆位点全是g 。只有两个例外，转运l y s 和m e t 的t r n a 分子上反密码子的摇 摆位点是c 。 2 4 讨论 一般来说，核基因组中密码子的使用和t r n a 的丰度之蒯存在着比较密切的关系， 也就是说基因组中使用次数最高的密码子可以和细胞中丰度最高的t r n a 分子完全匹配 起来( m o r i y a m aa n dp o w e l l ，1 9 9 7 a ；r o c h a , 2 0 0 4 ) 。然而，我们在昆虫线粒体基因组中发 现了1 0 个同义密码子家族中的最优密码子和t r n a 上的反密码子是不能完全相匹配的。 昆虫的线粒体基因组具有比较高的a t 碱基含量，因此密码子的第三位倾向于选择 a 或u ( w o l s t e n h o l m ea n dc l a r y , 1 9 8 5 ；c r o z i e ra n dc r o z i e r , 1 9 9 3 ) 。昆虫线粒体基因组中的 2 2 个反密码子中有1 2 个反密码子在摇摆位点上是u ，它不仅能匹配密码子家族中的最 优密码子，而且还可以结合密码子家族中所有的同义密码子。但是，如果反密码子的摇 摆位点是g 或c 的话，那么t r n a 分子上的反密码子就不能完全匹配密码子家族中的最 优密码子。j i a ( 2 0 0 8 ) 检测了哺乳动物的线粒体基因组，发现它们的密码子组成和t r n a 丰度是没有联系的，而是受到了前后相关联的碱基突变( c o n t e x t d e p e n d e n tm u t a t i o n ) 的 影响( j i aa n dh i g g s ，2 0 0 8 ) 。我们推测昆虫线粒体基因组中的密码子同样没有受到t r n a 昆虫基因组密码予使用及进化分析 丰度的影响，它们是独立于t r n a 丰度进化而来的。 目前，大家普遍接受的观点是：根据线粒体基因组中核糖r n a 编码基因建立的系 统进化关系，得出线粒体是蛋白菌的残留物( a n d e r s s o na n dk u r l a n d ，1 9 9 9 ；b u l l e r w e l l a n dg r a y , 2 0 0 4 ) 。动物线粒体基因组中的t r n a 基因可能在线粒体进化的早期由于遗传 漂变( g e n e t i cd r i f t ) 等原因就已经确定下来( l i u e ta 1 ，2 0 0 4 ；e n d oe ta 1 ，2 0 0 5 ；a b a s c a le t a 1 ，2 0 0 6 ) 。但是线粒体基因组的密码子在进化历程中却要受到突变等多种因素的影响 ( j i aa n dh i g g s ，2 0 0 8 ) 。那么根据c r i c k 的摇摆规则，这些突变之后的密码子不能和对应 的t r n a 分子上的反密码子完全匹配。因此t r n a 反密码子臂上的一些关键碱基位点要 进行必要的修饰，以保证蛋白合成的准确性和效率。这样的话，由于t r n a 分子上的反 密码子的结构发生了变化，一些密码子为了保证和反密码子结合的稳定性，它们的功能 也会发生相应地改变( y o k o b o r ie ta 1 ，2 0 0 1 ) 。 综上所述，我们推测最优密码子和对应t r n a 分子上的反密码子不相匹配的现象在 昆虫线粒体基因组中是普遍存在的，其机理还有待于进一步的研究。 on i n 寸卜一 竺小 卜 兰口 2l n 寸 一寸 甘 口n !a o o 一 2 oo o 0 0 一 =2 f _ 、 寸” 竺 o o o n n n ”寸n n 寸 o ”n 卜n = nn - n ”寸n口寸 卜一 n n寸卜n口n 卜n 寸nn nn 叶a n 口o 口 3 0 u o o z o u o 寸 n ”一 n a o 口一 a 寸 n 价一 卜n 一 母o 卜 卜西 n n甘nno n 一 。卜n n寸寸 一一 n nn n 寸n嗡卜寸；n卜n n岭口n口叶no 卜寸i co 口nn o n1 0 寸 0 3 3 3 已o 3 3 u ，f 1 3 o n n卜”寸蚺n 寸a 寸寸n口卜口寸n 口 o nn nn n f 1 u u d 专u0 3 0 卜寸 n n n 田n 寸 口nn n 寸 口n磊口蚺 u o f 1 口 ，o u 3 口 。寸”n口n 。 一 o o i 二 。 一。一 o n 一 寸 。 一 nni no卜 n 寸 n一 寸 卜”兰= o 寸寸寸n 一 i n - 一n 一 一 o o n o o 寸 寸 。四 一h 口 = a 葛 0 0 n岛 。口 r qn 岭n 1 8n 卜n 卜n a o 乱口n卜n一n 奈寸nn n 卜喀寸蚺 卜n寸n n 寸 n n 葛n 寸n n n 2 寸n寸n寸寸寸nn n n n蛤” 口n卜n 一口口” 寸nn nn n”n 西n均卜 心 o 小 竹 卜一 o n 峪心n o n o 一 心t r 卜寸呐no 价 寸 2 n寸na ” no n n nna n卜口奈n 寸n nn 寸no ”nn 寸n”no ”nn nn 卜寸o n n卜n n卜n 寸 口n 寸 卜a no na 卜n 一卜一 一。口 小 一。一 n寸 ao西 a卜 们mo 一一n nnon nn - 一0 0 金瓮! 一 !a 竺金2 no一 寸nn 2 鬣寸。 - n 寸卜! =2 寸一= 寸叶i p - n 荨 卜nn 一n寸 =葛卜” 兰22 =-= 一 寸 =寸 。 一 一 n 寸 卜、 n o 苫 卜 荨 寸 一 卜n n 寸卜 o n n 卜寸”n ”寸n 寸n 卜a 一 ”n 卜n o n 卜n寸n寸卜nn na n卜寸n 寸n nn n寸n昏n o n n n n nn 一 寸n口nn n n 口” 四竺卜寸 一崞n a 昏n a 口卜n a 夏 寸n ao 卜 a n 口一卜 卜一 nn n 寸”口n 一 “ 一一 n n n 卜n1 8 n口寸nn 口n奈寸口卜nn n a 一 1 8 na 寸no 寸n a 寸寸 崎n 寸n卜卜寸 a n 寸 n c c o o 寸 口n 西寸 n n 寸n n 心n o o o 一 n n 昏 ”n n n 口岭n 寸 o n 心n 寸n 0 2 卜o n 寸n a n 口” o 卜n 盘芒尊qr譬r舢：u嚣 尊一to=c1，t 鼙太皋封越匠掣上留警息区增耐避 山东农业人学博：l 学位论文 3 昆虫氧化磷酸化系统中核基因和线粒体基因的密码子使用模式 3 1 研究背景 真核细胞中，氧化磷酸化( o x i d a t i v ep h o s p h o r y l a t i o n ，o x p h o s ) 系统在能量代谢 ( e n e r g ym e t a b o l i s m ) 和a t p 产生( a t pp r o d u c t i o n ) 的过程中起着非常重要的作用。能 量产生过程是细胞中唯一一个受到核基因和线粒体基因双重调控的过程( s a r d i e l l oe ta 1 ， 2 0 0 5 ) 。氧化磷酸化系统是由5 个多蛋白复合体组成，复合体i i v 用来组成呼吸链上的 复合体，复合体v 用来组成a t p 合成酶。除了复合体i i 全部是由核基因编码的，其余 的4 个复合体均由核基因和线粒体基因共同编码( g a r e s s ea n dv a l l e j o ，2 0 0 i ) 。众所周知， 核基因和线粒体基因的密码子使用模式是不同的。对于黑腹果蝇( d r o s o p h i l a m e l a n o g a s t e r ) 来说，它的核基因倾向于使用富含g c 的密码子，而它的线粒体基因则 倾向于使用富含a t 的密码子( w o l s t e n h o l m e a n dc l a r y , 1 9 8 5 ) 。目前已经证明这个双重调 控系统中的核基因和线粒体基因之间存在着协同进化作用( b a r r i e n t o se ta 1 ，2 0 0 0 ；d e y e ta 1 ，2 0 0 0 ；b a y o n a b a f a l u ye ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 对于黑腹果蝇( d r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r ) 核基因的密码子使用模式，已有比较多的 研究，它们受到的主要影响因素有翻译选择( t r a n s l a t i o ns e l e c t i o n ) 、突变偏好性( m u t a t i o n b i a s ) 和t r n a 丰度等( p o w e l la n dm o r i y a m a ，1 9 9 7 ) 。基因组的蛋白编码基因长度( g e n e l e n g t h ) 和重组( r e c o m b i n a t i o n ) 也被证明对于基因组的密码子使用有影响( k l i m a na n d h e y , 1 9 9 3 ；m o r i y a m aa n dp o w e l l ，1 9 9 8 ；m a r a i se ta 1 ，2 0 0 1 ) 。然而，同一个基因组中，不 同区域会具有不同的密码子使用模式( p e i x o t oe ta 1 ，2 0 0 3 ) ，那么是否还存在其他一些因 素影响参与果蝇氧化磷酸化系统核基因的密码子使用模式? 黑腹果蝇( d r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r ) 线粒体基因组的a t 含量高达7 6 。现在大家 普遍认为线粒体是一种0 蛋白菌的残留物( a n d e r s s o na n dk u r l a n d ，1 9 9 9 ；b u l l e r w e l la n d g r a y , 2 0 0 4 ) ，它的密码子偏好性主要由较高的a t 碱基组成压力导致的( l i ue ta 1 ，2 0 0 4 ) 。 但是，黑腹果蝇的线粒体基因组在进化历程中是如何演变成如此之高的a t 含量，目前 还没有合理的解释( w o l s t e n h o l m ea n dc l a r y , 1 9 8 5 ) 。 本文我们主要是探讨参与果蝇氧化磷酸化系统的核基因与线粒体基因的密码子使 用模式上的差异，并进一步推测导致差异的影响因素。 3 9 昆虫基因组密码予使用及进化分析 3 2 材料与方法 3 2 1 数据处理 ，黑腹果蝇( d r o s o p h i l am e l a n o g a s t e r ) 的全基因组序列可以通过g e n b a n k 数据库获 得，而其中的氧化磷酸化基因可以通过m t i o d r o m e ( h t t p ：w w w 2 b a i t b c n r i t m i t o d r o m e ) 获取( s a r d i e l l oe ta l ，2 0 0 3 ；d e l i ae ta 1 ，2 0 0 6 ) 。我们从m i t o d r o m e 数据库 中下载了8 9 条参与氧化磷酸化的核基因序列，其中7 8 条是直系同源基因。同时，我们 也从g e n b a n k 上获得了1 3 条蛋白编码基因序列。我们在选取序列的时候要注意以下三 点：l 、每条序列必须是完整的开放阅读框，即序列由起始密码子a t g 开始，终止密码 子u a a 、u a g 或u g a 结尾；2 、为了保证统计数据的可靠性，每条序列的长度不低于 3 0 0 个核苷酸；3 、要去除序列中的假基因和重复序列( 张文娟，2 0 0 6 ) 。 3 2 2 参数设置 相对同义密码子使用( r e l a t i v es y n o n y m o u sc o d o nu