【中英文題目】

英國胡椒蛾的工業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】

燃料對環境造成的改變導致的突變仍然是生物進化的主要挑戰，最顯著的例子就是英國胡椒蛾Biston betularia（樺尺蠖），由于工業革命期間鳥類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的基因多態性與一致性依然未知。本研究表明導致英國工業黑化現象的突變主要是在皮質層基因的第一個內含子內的基因插入、串聯重復以及轉座因子。對黑化型單體重組的統計學推論表明轉座事件大概發生在1819年，此推論與歷史記載相一致。對在早期翅芽發展階段的carbonaria轉座因子的模式進行分析發現皮質層轉錄表達提高，控制細胞周期調控的蛋白產量也相應增加。本研究填補了自然選擇下的種內進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”進行近一步研究。

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【研究思路】

取材：

研究樣本取自來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Roche 454 GS FLX Titanium測序得到3-kb mate-pair文庫；通過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個基因和2個microRNAs，但是沒有一個是參與黑化型或翅膀發育過程的，因此，本研究擴大了關聯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的皮質層由8個次要外顯子、兩個首要外顯子（1A 和1B，在翅膀發育過程中首要表達）以及一個較大的內含子（圖1b）。圖1c中，carbonaria插入序列由21,925個核苷酸構成，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）展現出基因含量、基因型位置（灰色條形上的垂直線）以及每個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表示候選基因多態性，圖中可以看出carbonaria（黑色）和typica（斑點）的皮質層內含子與外顯子的結構，不難發現，在第一個內含子內有大約22kb的插入缺失（橙色）；c. 反映出候選基因區域內carbonaria–typica的多態性以及carbonaria序列中插入部分的結構，黑色核苷酸表示靶位點重復序列，紅色核苷酸表示反向重復序列。Typica單體型缺失了4堿基的靶位點序列、反向重復序列以及核心插入序列。轉座子包含了3個重復單元，每個重復單元又包含了3個短串聯重復單元（綠點，SRU1–SRU9）

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2、黑化型突變體的重組形式以及發生的時間

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生的時間進行推測，圖2d反映的是carb-TE突變體發生的時間的概率密度曲線，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突變體發生時間的概率密度，虛線表示1819年概率密度最大，1848年（點劃線）進行首次記載。

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3、B. betularia發育中的翅膀的皮質層的相對表達

Biston皮質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，與翅膀的形態發生階段相一致（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（特別是Cr4時期），而以1A起始轉錄的結果中，不同基因型之間并沒有表現出很大的差異。

圖3 ?B. betularia發育中的翅膀的皮質層的相對表達??a. 翅芽在不同發育階段的表達（La6, 六齡幼蟲; Cr2, 兩天的爬蟲; Pu2, 兩天的蛹; PDP, 滯育后的蛹）；b. B. betularia不同發育階段的前翅圖像；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育階段的皮質層1B (c) 和1A (d)的相對表達，1B轉錄本的基因型差異顯著，而1A轉錄本的差異并不顯著。

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【研究結論】

1、 長期以來，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，本研究通過英國胡椒蛾工業黑化現象，表明導致其突變的因素主要是在皮質層基因的第一個內含子內的基因插入、串聯重復以及轉座因子。

2、 此外，對黑化型單體重組的統計學推論表明轉座事件大概發生在1819年，此推論與歷史記載相一致。

3、 對在早期翅芽發展階段的carbonaria轉座因子的模式進行分析發現皮質層轉錄表達提高，控制細胞周期調控的蛋白產量也相應增加。研究者認為，黑化型突變體的發生可能是通過改變鱗細胞時性發育從而增加了皮質層豐度。

4、 本研究填補了自然選擇下的種內進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”進行近一步研究。

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【所用軟件及數據庫】

Newbler：是羅氏454開發的針對454測序數據進行組裝的軟件，不同于Illumina測序的fastq格式，454下機數據是sff格式，無法查看，可以用sffinfo進行轉換。

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HGAP：分層基因組組裝過程，是PacBio官方的組裝pipeline。

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SHAPEIT：是專門用于對推斷基因組單體型的軟件，由牛津大學的團隊所開發，并且一直應用與千人基因組計劃中。