黃麗娟，伊珍珍，林曉鳳

(華南師范大學生命科學學院，廣東省高等學校生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室，廣東廣州510631)

基因重復(Gene Duplication)指含有基因的DNA片段發(fā)生重復，產(chǎn)生1個與原基因相似的基因或堿基序列．由基因重復產(chǎn)生的基因稱為重復基因，或旁系同源基因(Paralogs)［1］，通過不等交換、逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座或全基因組重復等途徑產(chǎn)生［2］．根據(jù)重復區(qū)域的大小，基因重復可分為2種類型:(1)小規(guī)模基因重復，主要是單個基因重復;(2)大規(guī)?；蛑貜?，包括部分基因組重復以及整個基因組重復(多倍體化)［3］．單個基因和部分基因組的重復主要通過不等交換產(chǎn)生，而全基因組重復是有絲分裂或減數(shù)分裂過程中的錯誤引發(fā)［4］．

在原核生物和真核生物中，都存在大量的重復基因現(xiàn)象［5］，它為基因家族的產(chǎn)生提供了最原始的遺傳物質(zhì)基礎［6］．例如，在原核生物肺炎支原體(Mycoplasma pneumoniae)的基因組中，共生同源基因家族(Paralogous Gene Family)占全基因組的44%［7］．在動物中，秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)和黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)的重復基因分別占全基因組的49%和41%［5］．植物基因重復現(xiàn)象更為普遍，大約70% ～80%的被子植物物種存在基因重復或多倍化過程，其中擬南芥(Arabidopsis thaliana(L．)Heynh．)至少經(jīng)歷了3次全基因組重復［8］．單細胞的真核生物中，也存在重復基因，特別是具有雙型核的纖毛門，大核存在大量重復的染色體片段，某些物種的大核染色體片段，重復次數(shù)達950 到15 000 次［9］．

基因重復導致同一個基因組內(nèi)存在2個或者2個以上拷貝的同源基因序列，這可能造成功能上的冗余［5］，并受到劑量效應的調(diào)節(jié)［10］．它與生物體基因組大小的進化、新基因的起源以及物種的分化等都密切相關［4-5］，通過對基因重復的研究，能更好地理解基因家族的形成、基因表達水平的多樣性．目前對于高等真核生物基因重復的現(xiàn)象報道及進化機制研究日趨增加［8］，但對于單細胞真核生物基因重復的研究還處于初期階段．相關研究證實，單細胞和多細胞真核生物通過基因重復產(chǎn)生的基因家族大小與選擇壓力的關系有所不同［2］．本文選取原生生物作為單細胞真核生物的代表，總結(jié)近年來原生生物重復基因的研究進展，包括基因重復類型、保留偏好性、分化途徑，并討論重復基因的3種進化模型，揭示基因重復對生物進化的重要性，提出關于后續(xù)研究開展方向的建議．

1 基因重復的2種類型

1．1 大規(guī)模基因重復

模式生物草履蟲Paramecium tetraurelia至少經(jīng)歷了3次連續(xù)的全基因組重復事件，共產(chǎn)生了將近40 000個編碼蛋白的基因［11］．依照基因重復發(fā)生的前后順序，可以分為早期、中期和近期全基因組重復，這3個時期產(chǎn)生的旁系同源基因分別占8%、24%和 51%［11］．在囊泡藻 Blastocystis sp．的基因組中，DENOEUD等［12］發(fā)現(xiàn)了占全基因組39%左右的重復區(qū)域，并推測這是全基因組重復的結(jié)果．SUN等［13］在鞭毛蟲 Giardia lamblia基因組中發(fā)現(xiàn)了2 403個重復基因，大約占全基因組的40%，進化距離分析表明G．lamblia基因組在進化過程中發(fā)生了2次大規(guī)模的基因重復事件．LORENZI等［14］發(fā)現(xiàn)阿米巴蟲Entamoeba histolytica基因組存在部分基因組重復，并且約20%的基因組包含轉(zhuǎn)座子，推測部分基因組重復與某些基因家族含有轉(zhuǎn)座子密切相關．

1．2 小規(guī)?；蛑貜?/h3>

目前，對原生生物小規(guī)模基因重復的研究主要涉及到基因家族，如肌動蛋白(Actin)基因家族和微管蛋白(Tubulin)基因家族，以及高度重復的核糖體RNA 基因(rDNA)等［15-17］．

1．2．1 肌動蛋白基因 肌動蛋白是真核細胞中普遍存在的一種蛋白，在細胞運動、細胞分裂和胞內(nèi)運輸?shù)确矫姘l(fā)揮重要作用［15］．肌動蛋白基因是一類多基因家族，經(jīng)過基因重復在生物中存在許多旁系同源基因，并且經(jīng)過旁系同源基因分化，在種間或種內(nèi)形成多種基因亞型．草履蟲Paramecium tetraurelia存在9種肌動蛋白基因亞型，并且在細胞中有不同的定位與功能［18］．KIM 等［15］分析了纖毛門多種類群的肌動蛋白基因序列，發(fā)現(xiàn)纖毛門肌動蛋白旁系同源基因高度分化．表殼目(Arcellinida)阿米巴蟲的3個獨立遺傳譜系(1個Arcella hemisphaerica、2個A．vulgaris)中，每一個譜系的肌動蛋白基因包含40～50個旁系同源基因，其中沒有任何一個譜系與其他譜系的旁系同源基因相同，基因分化程度達到了29%［19］．目前本課題組選取偽角毛蟲屬(Pseudokeronopsis)的4個形態(tài)相似種(紅色偽角毛蟲、黃色偽角毛蟲、肉色偽角毛蟲、擬紅色偽角毛蟲)的8個種群作為實驗材料，研究大核肌動蛋白基因重復現(xiàn)象，結(jié)果顯示偽角毛蟲屬中肌動蛋白基因至少存在2種基因亞型(未發(fā)表資料)．

1．2．2 微管蛋白基因 微管蛋白是真核細胞的骨架蛋白之一，在保持細胞形狀、細胞運動、胞內(nèi)物質(zhì)運輸?shù)确矫嫫鹬匾饔茫?0］．微管蛋白基因超家族共有9 個基因成員(α、β、γ、δ、ε、η、θ、ζ和 κ-微管蛋白基因)，在草履蟲Paramecium tetraurelia的單倍體小核基因組中9種微管蛋白基因均存在［17］，其中α-微管蛋白基因包含2個旁系同源基因，而β-微管蛋白基因包含3個旁系同源基因．α-微管蛋白基因家族中的2個旁系同源基因的序列非常相似，意味著它們是由最近的一個共同祖先通過基因重復形成的，或者通過基因轉(zhuǎn)換而導致同源化［17］．DELGADO等［20］利用分子雜交技術，證實纖毛蟲Histriculus cavicola，Euplotes eurystomus和 Stentor coeruleus雙倍體小核基因組中α-微管蛋白旁系同源基因數(shù)目分別為3、2和9以上．纖毛蟲大核發(fā)育過程中，染色體高度片段化并經(jīng)歷多次基因重復，因此一種微管蛋白基因在大核中存在多份拷貝，如斜管蟲Chilodonella uncinata，大核中至少存在4種β-微管蛋白旁系同源基因［21］．

1．2．3 核糖體RNA基因 核糖體RNA基因(rDNA)包括小亞基核糖體RNA基因(SSU rDNA)、大亞基核糖體RNA基因(LSU rDNA)和5．8S rDNA．rDNA，屬于高度重復序列．硅藻(Diatoms)單個細胞中rDNA拷貝數(shù)在61～36 896范圍內(nèi)［22］，雙鞭毛藻(Dinoflagellates)單個細胞中rDNA拷貝數(shù)大致為200 ～1 200［23］，微藻(Microalgaes)單個細胞中 rDNA拷貝數(shù)約為1～12 000［24］．纖毛蟲大核核糖體RNA基因則具有更高的拷貝數(shù)，如棘尾蟲 Stylonychia lemnae單個細胞中rDNA拷貝數(shù)多達400 000，鐘形蟲Vorticella sp．單個細胞中 rDNA拷貝數(shù)為315 786，尖毛蟲Oxytricha nova單個細胞中rDNA拷貝數(shù)約為200 000，擬尾蟲Pseudotontonia sp．單個細胞中rDNA拷貝數(shù)為172 889，擬鈴蟲 Tintinnopsis sp．單個細胞中 rDNA 有 126 372 個拷貝［17］．JOHNSON等［25］發(fā)現(xiàn)側(cè)口綱(Litostomatea)的2種纖毛蟲Myrionecta rubra和Mesodinium pulex的SSU rDNA與其它側(cè)口綱纖毛蟲高度分化，推測由基因重復引起．1．2．4 其他基因 組蛋白(Histones)是真核生物體細胞染色質(zhì)中的堿性蛋白質(zhì)，有H2A、H2B、H3、H4和H1共5種基因類型，目前為止在原生動物中只發(fā)現(xiàn)了前4種，并且H2A、H3基因家族含有大量變異度 高 的 旁 系 同 源 基 因［26］．例 如，毛 滴 蟲Trichomonas vaginalis中分別含有17、14、21、22 個拷貝的 H2A、H2B、H3、H4 基因［26］．

UDA等［27］在模式生物四膜蟲 Tetrahymena基因組中發(fā)現(xiàn)了2種類型的精氨酸激酶(Arginine Kinase)，一種只含有40×103的亞基;另一種含有2個結(jié)構域，是經(jīng)過基因重復及融合事件產(chǎn)生的，并且這2個事件至少獨立地發(fā)生了4次．

熱激蛋白Hsp70是一類多基因家族，包含大量分化程度高的旁系同源基因，BUDIN等［28］從草履蟲Paramecium tetraurelia和游仆蟲Euplotes aediculatus中分別克隆出8種Hsp70旁系同源基因．

2 重復基因保留偏好性

基因重復發(fā)生后，特別是當整個基因及調(diào)控區(qū)域都發(fā)生重復的時候，常造成2個旁系同源基因功能上的冗余．由于自然選擇的作用，通常只有一個旁系同源基因能夠被保留下來，另一個拷貝發(fā)生突變導致功能喪失而成為假基因，并逐漸消亡［29］．相關研究表明，重復基因的保留與丟失并不是一個完全隨機的過程，而是存在一定的偏好性［30-31］．

目前研究得較為清楚的草履蟲Paramecium tetraurelia的基因組中，屬于相同代謝途徑或蛋白復合體的基因有共同的基因丟失模式，并且表達量高的基因(如信號分子和轉(zhuǎn)錄因子的基因)在重復基因中占有較高的比例．AURY等［11］的研究表明，全基因組重復后許多基因的保留與劑量效應有關．在全基因組重復后的短時期內(nèi)，屬于同一個調(diào)控網(wǎng)絡或代謝途徑的相互作用蛋白之間要保持相對劑量而被保留下來，這種模型被稱為劑量效應模型，但這種模型可能只適用于基因組重復發(fā)生的較短時間內(nèi)，給重復基因的新功能化提供機會［32］，對于時間久遠的重復基因并不適用．EDGER等［10］進一步提出轉(zhuǎn)錄因子基因等劑量敏感的基因在全基因組重復后會大量保留，但在小規(guī)模的基因重復后，卻有較低的保留率．與代謝相關的基因在全基因組重復后會比其他基因保留率高，但如果代謝基因在全基因組重復發(fā)生之前有很高的拷貝數(shù)，其保留率將會大大降低［33］．

3 重復基因的分化

基因重復作為一種新基因的產(chǎn)生機制，為生物新功能的產(chǎn)生提供了最原始的遺傳物質(zhì)基礎［4］．經(jīng)過自然選擇的作用，保留下來的重復基因，大致面臨以下3種不同的命運［5，8］:(1)其中1個拷貝保留了原始的功能，另1個拷貝新功能化;(2)2個拷貝發(fā)生了亞功能化，分擔了原基因的功能;(3)其中1個拷貝發(fā)生突變導致非功能化成為假基因．

3．1 新功能化

新功能化是指含有基因的DNA片段經(jīng)重復和歧化后獲得新的功能，經(jīng)自然選擇后被保留下來成為新的基因，這是重復基因能夠被長期保留的機制［5］．生物界新功能化最經(jīng)典的一個例子是，哺乳動物葉猴科(Colobine Monkey)的核糖核酸酶RNAase1基因通過基因重復，產(chǎn)生了2個基因，分別是RNAse1a基因和RNAse1b基因［34］．9個氨基酸的替換導致RNAse1b蛋白的最佳pH改變，使這些猴子可以將葉子作為首要食物來源，而不像其他猴子一樣食用果實和昆蟲［34］．原生動物草履蟲Paramecium tetraurelia中發(fā)現(xiàn)了一種新的微管蛋白，η-微管蛋白，這種微管蛋白的基因與之前在草履蟲發(fā)現(xiàn)的微管蛋白(α、β、γ、δ 和 ε-微管蛋白)基因序列相似度很低，系統(tǒng)分析結(jié)果顯示η-微管蛋白基因與其他微管蛋白基因親緣關系很遠［35］．與在真核生物中保守存在并負責組裝基體的δ-微管蛋白不同，η-微管蛋白目前發(fā)現(xiàn)只存在于纖毛蟲中，并參與纖毛基體的復制［11］．RUIZ 等［35］發(fā)現(xiàn) η-微管蛋白基因突變，不僅抑制基體的復制，還導致γ-微管蛋白與基體分離，推測η-微管蛋白起著緊密連接γ-微管蛋白與基體的作用．

3．2 亞功能化

亞功能化，即重復基因的不同拷貝分別執(zhí)行原基因的部分功能，各基因拷貝之間的功能是互補的．例如，SEHRING 等［16］在草履蟲 Paramecium tetraurelia中發(fā)現(xiàn)了9種肌動蛋白的重復基因，它們在細胞中的分布以及功能是有差別的，例如act4和act9與細胞分裂有關，而act2、act3、act4及act9都與纖毛蟲的運動行為有關，不同的重復基因沉默可使纖毛蟲呈現(xiàn)不同的游動方式．本課題組沿著該思路開展工作，偽角毛蟲屬(Pseudokeronopsis)肌動蛋白基因的各基因亞型在細胞中的定位與功能，將是本課題組近期研究的重要內(nèi)容．RASTOGI等［36］提出基因亞功能化在基因重復后的初始階段，對于重復基因的保留具有重要的意義，但亞功能化只是新功能化的一個過渡階段，而不是重復基因的最終命運．

3．3 假基因化

假基因化是指突變導致基因結(jié)構破壞，使本來具有正常功能的基因非功能化［5］．假基因化是重復基因常見的一種分化途徑，草履蟲Paramecium tetraurelia經(jīng)歷了3次連續(xù)的全基因組重復后，在40 000個編碼蛋白的基因中存在近1 500個假基因［11］．PEACOCK等［37］在3種利什曼原蟲Leishmania major、L．infantum和L．braziliensis的基因組中分別發(fā)現(xiàn)了97、41和161個假基因，并推測假基因的形成和基因丟失是導致這3個種基因組差異的主要因素．毛滴蟲Trichomonas vuginulis的基因組大約有60 000個基因，CUI等［38］發(fā)現(xiàn)假基因占了很大的比例，其中由于無義突變引起的假基因約有3 000個，由于閱讀框架移動產(chǎn)生的假基因數(shù)目與之相近或有更多．

地鐵運營隧道受前期施工、運營荷載和運營環(huán)境等綜合因素的影響，管片通常會出現(xiàn)裂損、變形、錯位和滲漏等多種病害[1-4]。因此，對地鐵隧道管片的維修整治顯得尤為重要。

4 重復基因的3種進化模型

重復基因的進化模型主要有3種:發(fā)散進化(Divergentevolution)、協(xié)同進化(Concerted evolution)、生與死進化(Birth-and-death evolution)模型［39］．

發(fā)散進化指的是經(jīng)基因重復產(chǎn)生的旁系同源基因，隨著獲得新的基因功能而逐漸分化，例如編碼肌紅蛋白及血紅蛋白α、β、γ和δ鏈的基因［39］．

協(xié)同進化是指種內(nèi)的旁系同源基因比種間相同基因家族的成員親緣關系更近，即使基因重復事件發(fā)生在物種分化之前．此進化模型中旁系同源基因的高度相似主要通過不等交換或者同源重組導致基因轉(zhuǎn)換(Gene Conversion)維持［40］，同源重組能有效地復制部分序列并覆蓋在其它的同源區(qū)，這個模型能很好解釋rRNA基因及毛滴蟲Trichomonas vuginulis聚泛素(Polyubiquitin)基因的進化［39，41］．

生與死進化模型闡述的是多基因家族內(nèi)旁系同源基因的產(chǎn)生、分化及丟失的過程，與協(xié)同進化模型不同，此模型中的基因家族成員是獨立進化的［40］．在這個模型中，基因重復產(chǎn)生新的基因，一部分重復基因可以在基因組內(nèi)保留很長一段時間，而一部分基因由于有害突變導致功能喪失而成為假基因或者丟失［39］．組氨酸 H4基因家族，及瘧原蟲 Plasmodium的裂殖子表面蛋白(msp)-7基因家族的進化都是符合生與死進化模型，在進化過程中經(jīng)歷了純化選擇［42-43］．

協(xié)同進化模型和生與死進化模型是存在爭議的，因為當序列差別很小的時候，很難區(qū)分這2個模型［39］．并且，基因家族的進化是很復雜的，并不是完全符合某一個進化模型，例如雙鞭毛藻(Dinoflagellates)的肌動蛋白基因家族和線蟲(Nematodes)的熱激蛋白Hsp70基因家族，在進化過程中都經(jīng)歷過協(xié)同進化及生與死進化歷程［44-45］．

5 結(jié)論

近年來原生生物重復基因的研究取得了很大的進展，但是許多關于重復基因的問題仍然沒有得到解決．首先，目前完成基因組測序的原生生物比較少，例如纖毛蟲只有4種完成了大核基因組測序，分別是草履蟲Paramecium tetraurelia、四膜蟲Tetrahymena thermophila、小瓜蟲 Ichthyophthirius multifiliis和尖毛蟲 Oxytricha trifallax［11，47-49］，除前面提及的草履蟲外，四膜蟲和小瓜蟲基因組中也存在大量重復基因，但是由于基因重復在物種進化過程中發(fā)生的時間跨度大，沒有證據(jù)表明是屬于部分或整個基因組重復［47-48］．其次，沒有清晰地了解基因家族(如肌動蛋白、微管蛋白基因家族)在原生生物中的旁系同源基因種類、拷貝數(shù)及各自的功能［35］．再次，亞功能化、劑量補償?shù)壤碚摽山忉屩貜突虻谋Ａ敉緩?，但是目前沒有清晰的機制解釋重復基因如何逐步形成新功能［33］．最后，對于原生生物重復基因的自然選擇途徑、進化速率、進化模型等方面還沒有明確的認識．

上述問題的存在，主要是因為目前已開展的原生生物基因重復研究基本局限于少數(shù)幾種模式生物，如草履蟲Paramecium tetraurelia、四膜蟲Tetrahymena thermophila和毛滴蟲 Trichomonas vaginalis等［11，14，38］．因此，后續(xù)研究應該充分利用快速發(fā)展的分子遺傳學技術，對更多原生生物(尤其是非模式生物)的重復基因類型、產(chǎn)生、保留及進化機制等進行深入的研究．作為原生生物非模式生物的探索性工作，如SUN等［13］報道寄生性鞭毛蟲 Giardia lamblia基因組發(fā)生了2次大規(guī)模基因重復事件，作者發(fā)現(xiàn)大部分的重復基因表達的是變化的特異表面蛋白(Variant-specific Surface Proteins)，這種蛋白與寄生蟲逃避宿主的免疫系統(tǒng)的攻擊有關，表明基因重復對G．Lamblia寄生生活方式的起源與進化起著重要的作用;DELGADO等［20］測定了纖毛蟲Histriculus cavicola，Euplotes eurystomus和 Stentor coeruleus雙倍體小核基因組中α-微管蛋白旁系同源基因數(shù)目，有助于進一步認識旋唇綱(Spirotrichea)纖毛蟲中α-微管蛋白基因家族的基因類型和數(shù)目．這也是本課題組目前在原生生物基因重復領域開展工作的研究思路之一，作者近期開展的基因重復研究中，選取非模式生物偽角毛蟲屬(Pseudokeronopsis)的幾個相近種作為實驗材料，探討偽角毛蟲屬肌動蛋白基因的的重復基因類型、拷貝數(shù)、各基因亞型在細胞中的定位與功能，以期對纖毛蟲肌動蛋白重復基因的保留及功能分化有進一步的了解．

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