蝙蝠的苦味受体特异性谱系复制与适应性进化

ABSTRACT

基因复制是一种重要的分子进化机制，在生态适应中起着至关重要的作用。苦味受体基因的谱系特异性复制在许多脊椎动物中已经被发现，但是复制后新的Tas2r基因的功能分化仍是未知的。在此，作者提供了迄今最大的蝙蝠Tas2r数据集，包括15个已被测序的蝙蝠物种以及从另外17个蝙蝠物种中进行了新的测序。研究结果表明，在鼠耳蝠属（Myotis bat）中发生了Tas2r16、Tas2r18和Tas2r41的谱系特异性复制。鼠耳蝠属物种高度分化，是唯一自然分布在除南极洲以外的所有大陆的哺乳动物属，因此多样的栖息地有可能推动了tas2r基因的复制。此外，鼠耳蝠属中Tas2r的新拷贝表现出明显地适应性进化以及功能分化，如在大卫鼠耳福中三个Tas2r16拷贝表现出对熊果苷和水杨素的不同敏感性。作者推测鼠耳蝠属的Tas2r拷贝之间的功能差异会通过防止从它们的昆虫猎物中摄取更多的苦味食物毒素来提高它们的存活率，从而有助于它们适应不同的生境。

INTRODUCTION

• 基因复制是一种重要的进化机制，通过产生原始遗传物质和多种生物功能，在生态适应中具有根本的重要性。复制后，新衍生的基因拷贝可能经历功能丧失、保存或修饰。

• 脊椎动物Tas2rs编码苦味受体，赋予品尝苦味化合物的能力。由于有毒物质如植物生物碱和昆虫防御性分泌物通常都是苦味，苦味被认为是动物重要的天然防御物。

• 在翼手目中也观察到了特异的Tas2r复制事件，但是目前研究仅从Myotis lucifugus 和 Myotis davidii两个物种的基因组发现Tas2r复制。

MATERIALS AND METHODS

1. 基因组数据从NCBI网站下载。

2. Tas2r基因的注释与命名：通过tBLASTn找寻完整的蝙蝠Tas2r基因。

3. Tas2r基因序列进化历史的重构。

4. Tas2r16和Tas2r41基因测序。

5. Tas2r16, Tas2r18和Tas2r41三个基因选择压力分析（BS，CladeC）。

6. TAS2R16的功能测定。

RESULTS

1.蝙蝠tas2r基因序列的进化

• 本研究共识别416个Tas2rs（平均每个物种具有28个，范围为21-38），其中有263个完整基因，26个部分基因以及127个假基因。
• 通过与系统发育无关的对比分析，我们发现食果蝙蝠和食虫蝙蝠tas2r基因数目之间没有显著的相关性，然而鼠耳蝠属的蝙蝠相比其他蝙蝠具有较多的Tas2r复制。

• 通过一致树方法，发现四种旧世界果蝠共同祖先tas2r基因数目减少。相比之下，tas2r基因数目的扩张(n=11)发生在三个鼠耳蝠属物种的共同祖先中。

  
  

2. 蝙蝠中tas2r基因的复制

• 在系统发育树中，所有蝙蝠的Tas2rs组成22个clade，每一个由2-43个基因组成。值得注意的是，我们在两个类群(tas2r16和tas2r18)中发现了鼠耳蝠属特异性的重复事件：三种鼠耳蝠有3-4拷贝的ts2r16和3-6拷贝的tas 2r18，而其他蝙蝠只拥有这两个基因的一个拷贝。
• 此外，我们还检测到tas2r408(43个拷贝)的一个大的基因扩张，其中复制事件发生在几乎所有被检查的蝙蝠中。

• 结合测序序列和从基因组数据中鉴定出来的基因，系统发育分析显示，绝大多数蝙蝠只有一个TAS2R16(或tas2r41)拷贝，而四个鼠耳蝠属物种至少有两个拷贝。

  
  

3. tas2r基因复制后的分子适应

4. Tas2r16新拷贝的功能分化

• 人类同源基因Tas2r16是最具特征的Tas2r基因之一。
• 研究了这些受体对已知激活人类TAS2Rs的16种有效苦化合物的反应，包括d-水杨素和熊果苷。

• 为了测试这些受体对熊果苷和d-水杨素的敏感性，我们获得了所有受体的剂量依赖性曲线，而mda_tas2r16a在我们测试的任何配体浓度下都没有激活，另外四种受体对熊果苷和d-水杨素有明显的敏感性。

  
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DISCUSSION

本文首次对蝙蝠苦味受体基因(TAS2Rs)进行了深入研究，并将序列分析与细胞功能分析相结合。我们确定了发生在鼠耳蝠属中的Tas2rs的谱系特异性复制，并推测TAS2Rs的新拷贝经历了正选择和功能差异。以细胞为基础的功能检测结果表明，在复制后，大卫鼠耳福中Tas2r16的三个拷贝发生了功能分化和转变。