
浅谈鱼类mtDNA研究进展.docx
8页浅谈鱼类mtDNA研究进展 方一锋(浙江自然博物馆生命科学部 杭州 310003)Summary:文章通过介绍鱼类mtDNA的基本结构、特点及其在分子标记中的应用,简要综述了当前对鱼类mtDNA的研究进展Keys:鱼;线粒体DNA;基本结构;分子标记Q959.4 :A :1008-6137(2014)01-0024-030引言线粒体属于半自主细胞器,有自己的遗传物质——线粒体DNA(Mitochondrial DNA,mtDNA),亦含有核糖体(74s)和各种RNA(tRNA、rRNA、mRNA),还有Hsp70家族的Ssa1-4,SsB1,SsC1,SsD1和Hsp60家族的cpn60这些分子伴侣由于其自身的特性,近些年来mtDNA成为研究鱼类群体遗传结构及遗传多样性的有效分子标记1鱼类mtDNA的基本结构mtDNA为较稳定的共价闭合、双链环状结构,能自主复制、转录、翻译鱼类mtDNA的结构和基因成分与其他的脊椎动物类似,分为非编码区和编码区非编码区称D-环区(displacement-loop region,D-loop) ,因为该区A-T碱基富集,又称(A+T )rich区。
编码区编码37个基因,包含22个tRNA基因(transfer RNA gene),2个rRNA基因(ribosomal RNA gene)和13个蛋白质编码基因[1]这些基因与线粒体的氧化磷酸化作用密切相关,因此关系到细胞内的能量供应在研究亲缘关系较近的类群的进化树时,mtDNA得到的进化谱系比常染色体得到的更接近于真实物种树(species tree) 其结构模式如图1所示2鱼类mtDNA的特点2.1A+C含量高A+T的含量明显高于G+C的含量,其中G含量最低,不同种群间平均含量略有差异李莉好等[2]对三种海豚线粒体COⅠ基因的序列分析中,指出A+T含量高,可能是动物mtDNA COⅠ基因组成中普遍存在的现象2.2分为H、L两条链两条单链的密度不同,外环为重链H链,内环为轻链L链所有基因呈现不均一分布性,但基因的数目间排列顺序却是十分保守的H链上基因编码产物2个rRNA:12S rRNA和16S rRNA14个tRNA:自控制区按顺时针方向依次为[1]:Thr、Leu、Ser、His、Arg、Gly、Lys、Asp、Trp、Met、Ile、Leu、Val、Phe12个mRNA:氧化辅酶脱氢酶的6个亚基:ND1 、ND2、 ND3、 ND4、 ND5、 ND4L;细胞色素C氧化酶3个亚基:COⅠ、COⅡ、COⅢ;细胞色素b:Cyt-b;ATP合成酶的两个亚基:ATPase6、ATPase8。
L链上基因编码产物1个mRNA:ND68个tRNA[3]:Pro、Tyr、Ser、Ala、Asn、Cys、Glu、Gln2.3结构简单,拷贝数多所有的基因都位于一个裸露的,不为核膜所包被,不与蛋白质结合,不压缩,只有一个非编码区域的mtDNA上其长度的种间差异由少量的重复串联序列引起,分子量小,约占总DNA的1%从已报道的161种鱼类DNA全序列[3]可知,鱼类mtDNA长度范围在15561~18705kb之间[4-6]每个线粒体内可以有几至几十个mtDNA分子,无组织特异性,比核DNA存活时间长得多,易分离纯化2.4快速进化以上原因都导致了mtDNA的高突变率(核DNA的5~10倍),因此即使是在近期内趋异的物种之间也会很快地积累大量的核苷酸置换,可以进行比较分析其主要的进化方式为碱基替换,包括转换和颠换,而且缺乏有效的DNA损伤修复机制,有些突变有累加效应依据mtDNA基因序列每百万年发生2%歧化,可以检测亚种间歧化距离,推算亚种间分化时间不同区域进化速率有差异,适合不同水平的研究:①D-loop的变异速率约为其它区域的5~10倍,是序列和长度变异最大、进化速率最高、最具多态的区域[7]。
它的进化信息是最细微的,适用于检测近缘种或种内遗传变异②Cyt b和ND基因进化较快,适用于种间和属间分析③RNA基因进化很慢,常用于种或科以上水平检测2.5母系遗传精子的细胞质极少,子代的mtDNA基本上都是来自卵细胞,因此一个个体就代表一母系群体只有雌鱼才能将mtDNA遗传给子代,其有效种群大小仅为核基因组(nDNA)的1/4瓶颈效应(bottle neck effect) 对其的影响要比对nDNA大,一旦发生,鱼类有效种群的规模就迅速减少一半易受遗传漂变(genetic drift)的影响,奠基者效应(founder effect)对后代种群核苷酸多样性有很大影响2.6缺乏重组mtDNA在细胞减数分裂期间不发生重组,具有相同序列的个体必定是来自一位共同的雌性祖先有利于检查出在较短时间内基因发生的变化,比较不同物种的相同基因之间的差别,确定这些物种在进化上的亲缘关系2.7编码效率高除D-loop其他都是基因编码区,且复制与转录并不是相互独立的,而是存在着密切的联系缺少终止密码子,解码体系比较简单,由一个很少的tRNA体系完成,这与核基因组的摆动假说不同mtDNA中的基因间几乎没有空隙,无内含子,分隔常少于10bp,因此tRNA基因和蛋白质编码基因之间有时相互交搭,这在鱼类和其他动物中非常普遍:一些碱基为两个不同基因的一部分,既作为一个基因的末尾,又作为下一个基因的开始。
2.8同序性与异序性个体细胞质内mtDNA的序列都是相同的,这是mtDNA的同序性(homoplasmy)大部分鱼类机体中只有1种mtDNA,任何组织都可以分析同一个体细胞质里mtDNA的序列有差别时,就是mtDNA的异序性(heteroplasmy)近年来PCR技术证实,精子也会对受精卵提供一些mtDNA,这是造成mtDNA异序性的原因之一异序性对于种系发生的分析研究会造成一些困难,在细胞分裂过程中会改变突变型和野生型比例2.9多态性在同一物种内因重复片段的存在,常表现出个体间序列长度的多态性鱼类mtDNA一级结构快速而活跃的变异导致了种内的广泛多态,甚至可达到种间水平两个不同个体mtDNA碱基平均相差3%,这些差异多为中性,并不改变氨基酸排列顺序多态性集中在D-loop区,其他区域则高度保守一般认为种群之间的遗传变异程度与其生态习性及生活史密切相关淡水鱼类遗传变异要比海水鱼类大,这同淡水鱼类栖息水体的分隔程度较大有关多态性可以弥补由于遗传漂变和选择造成的遗传多样性丧失,也可能是某些鱼类增加遗传变异的一种方式,对维持物种的生存有一定作用造成这种长度多态性的原因目前有几种解释:分子间和分子内的重组、滑动错配(slipped mispairing)、非正常延长(illegitimate elogation)、转座子(transposition)。
3鱼类mtDNA在分子标记中的应用直接测定mtDNA全序列或部分片段的序列,比较不同群体或个体间相关序列差异性,直接阐明物种的遗传变异,是当前最为可靠且实用的方法目前,在鱼类遗传学中常用D-loop序列、细胞色素C氧化酶亚基基因、Cyt-b基因研究物种类群识别、起源、分化、扩散和种群地理分布D-loop作为线粒体基因组中进化速率最快的区域,成为种群内部遗传分化的检验中重要的遗传标记,该种方法在鱼类研究中起步较晚,但也已有很多报道D-loop的研究方法主要集中在限制性内切酶片段长度多态法(RFLP)和序列测定分析等方面在鱼类D-loop的RFLR研究中,根据酶切位点发生的碱基变异、插入、或者缺失等导致的酶切片段大小发生变化来比较不同群体或[来自wwW.lw5U.com]个体间的DNA多态性郑冰蓉等对洱海的3种鲤鱼的线粒体DNA(mtDNA)进行了限制性片段长度多态(RFLP)分析,结果表明,16种酶在洱海鲤、春鲤和杞麓鲤3个种共14个个体上,仅DraⅠ在春鲤的一个个体上检出一个位点的限制[来自Www.lw5u.Com]性片段长度多态,独立为单倍型Ⅱ,3个种的其余13个个体共享单倍型Ⅰ,种间遗传距离为0%~0.0075%,比已报道的鱼类的种间差异甚至种内差异都低得多。
与RFLP法相比,近年来对鱼类D-loop的直接测序分析应用更广泛DNA测序分析时,通过测定控制区全部或者部分区段的核苷酸顺序,来比较个体与群体间序列遗传差异对鱼类D-loop的序列结构分析逐步深入,DNA序列分析法在鱼类形态学、鱼类种群内遗传分化等方面都有应用在D-loop的研究中,对鳜类D-loop进行了分析,识别了终止序列区、中央保守区和保守序列区,并对其进行了系统发育分析,表明鳜类为单系类群,鳜、大眼鳜、斑鳜、暗鳜、波纹鳜、长体鳜构成一支鳜鱼群,其中鳜与大眼鳜为姐妹种;中国少鳞鳜为另一支少鳞鳜群;长体鳜未单独成一支,而是聚入鳜鱼群内,应更名为Siniperca roulei研究结果支持将现生鳜类分为两个类群的观点 4结语随着DNA的序列分析、限制性内切酶片段长度多态性(RELP)分析及PCR 技术等的应用,mtDNA在研究鱼类起源、种群分化、扩散等方面已经取得了具有应用价值的成果但mtDNA作为一种核外遗传物质,只能反映遗传的一个方面因此,目前分子材料选用趋势是,mtDNA与nDNA结合,形态性状与分子性状相结合,这样能得到更可信的结果Reference[1] 吕国庆,李思发.鱼类线粒体DNA动态研究和应用进展[J].中国水产科学,1998,5(3):94-103.[2] 李莉好,喻达辉,黄桂菊等.三种海豚线粒体COⅠ基因的序列分析[J].动物学杂志,2007,42(3):20-27.[3] 郭新红,刘少军,刘巧等.鱼类线粒体DNA研究新进展[J].遗传学报,2004,31:983-1000.[4] 崔建勋,余其兴,任修海.三种鱼的mtDNA限制性内切酶酶切分析[J].动物学研究,1992,13(3):256-262.[5] 戴建华,殷文莉,杨代淑等.鲇鱼线粒体DNA的酶切图谱[J].水产学报,1994,18(4):312-320.[6] 樊连春,崔建勋,余其兴.鳙鱼mtDNA限制性内切酶图谱[J].武汉大学学报(自然科学版),1994,1:121-125.作者简介:方一锋(1970.1~),女,浙江杭州,汉,本科,研究方向:无脊椎动物或是鱼类。












