裂殖酵母的比较功能基因组学.docx

裂殖酵母的比较功能基因组学裂殖酵母菌属包括粟酒裂殖酵母(S.pombe),八胞裂殖酵母(S. octosporus)，嗜冷裂殖酵母(S. cryophilus)和刺参裂殖酵母(S. japonicus)它们占了子囊菌纲的基本分支并且是真核细胞生 物学的一个重要模型比较这些基因组的注释，我们发现了濒临灭绝的转座子并展开了自由 转座子着丝粒方面的创新表达分析确定了减数分裂基因在营养生长期服从反义转录，这表 明了它们严格的调控机制此外，反式作用调节因子可控制扩展功能模块范围内的减数分裂 和应激反应的新基因基因的内容和调控的差异可以解释为什么不同于酵母菌亚门的芽殖酵 母，裂殖酵母不能使用乙醇作为主要的碳源这些分析阐明了裂殖酵母的基因组结构和基因 调控并为整个裂殖酵母菌属的研究提供了工具裂殖酵母菌种裂殖酵母在具有与众不同的生活史的子囊菌(图1A)里形成了一个广泛而古 老的群体(1)裂殖酵母作为单倍体优先生长，以二分裂而不是不对称出芽的方式增殖，并 且已形成了一种独立于芽殖酵母(酵母菌亚门)的单细胞生物生活方式裂殖酵母与后生动 物拥有许多相同的重要生物过程，包括染色体的结构和代谢——染色体相对较大，多重复性 的着丝粒，低复杂度的复制起点，异染色质组蛋白甲基化修饰，染色质异染色质蛋白，小分 子干扰RNA(siRNA)调控的异染色质，和TRF家族端粒结合蛋白—— 2/ M细胞周期调控， 细胞分裂，线粒体的翻译密码子，RNA干扰(RNAi)途径，信号传导体途径以及剪接体的组 成。

这些特点在芽殖酵母中缺失或高度分化一般情况下，比起其它的子囊菌纲，裂殖酵母 的核心同源基因更接近于后生动物(2)裂殖酵母也在碳源代谢进化上产生创新，包括葡萄 糖有氧发酵成乙醇(3)这种趋同进化的芽殖酵母酿酒酵母为复杂表型的进化提供了深入了 解粟酒裂殖酵母被广泛使用作为研究细胞中基本生物过程和与人类疾病相关基因的模型为了 更好地了解它的进化和自然历史，我们比较了所有已知的裂殖酵母——粟酒裂殖酵母，八胞 裂殖酵母，嗜冷裂殖酵母和刺参裂殖酵母——的基因组和转录基因组序列和系统发育通过使用clone-based和clone-free全基因组鸟枪法(WGS)(表S1)， 我们测序和组装了八胞裂殖酵母，嗜冷裂殖酵母和刺参裂殖酵母的基因组每个基因组约 11.5 Mb大小八胞裂殖酵母和嗜冷裂殖酵母是38%GC,刺参裂殖酵母是44%通过比较， 粟酒裂殖酵母的基因组是12.5 Mb的大小和36% GC我们组装八胞裂殖酵母和刺参裂殖酵 母支架成三个全长的染色体，其质量类似于已形成的粟酒裂殖酵母的基因组(图1B和图S1、 S2,以及表S2和S3)，并使用WGS数据鉴定了端粒序列(4)在刺参裂殖酵母(GTCTTA), 八胞裂殖酵母(GGGTTACTT),和嗜冷裂殖酵母(GGGTTACTT)中假定的端粒酶RNA位点， 端粒重复符合一个半的重复单元的序列，类似于粟酒裂殖酵母(GGTTAC)中的结构(5)。

通过 使用这些基序，我们扩展刺参裂殖酵母和八胞裂殖酵母染色体到亚端粒和端粒序列(4)从440个单拷贝核心同源基因中，我们构建了子囊菌门裂殖酵母纲的系统发育(图1A和图53) ,将单系类群的裂殖酵母物种作为一个基础的姐妹群分化支，其中包括丝状真菌(盘菌 亚门)和芽殖酵母(酵母菌亚门)当我们比较粟酒裂殖酵母和刺参裂殖酵母时，发现了在 所有的 1:1 同源基因间，氨基酸序列同源性平均为 55%，类似于人与头索动物文昌鱼(表54) 对于最密切相关的物种，嗜冷裂殖酵母和八胞裂殖酵母，1:1的同源基因拥有85%的 同源性，类似于人类和狗粟酒裂殖酵母的遗传多样性低通过全基因组鸟枪法分析，将粟 酒裂殖酵母972菌株与两个表型不同的菌株粟酒裂殖酵母NCYC132菌株和粟酒裂殖酵母变 种kambucha菌株比较，结果显示3株之间不到1%的核苷酸差异(图S4和表S5)转座子的根除和着丝粒结构的重组对于通过异染色质维持着丝粒的功能，转座子和其它 重复序列被认为是至关重要的(6)这些序列发展非常迅速，但目前还不清楚着丝粒，转座 子和异染色质之间的进化关系，部分是因为真菌的着丝粒一般不包括在基因组聚合物中刺 参裂殖酵母基因组有10个gypsy类的反转录转座子家族(4)(图S5和表S6)。

它们的反转录 酶序列分歧表明，这些转座子家族的形成早于子囊菌纲最后的共同祖先然而，转座子的一 个巨大缺失出现在刺参裂殖酵母的分歧之后粟酒裂殖酵母含有两个相关的反转录转座子 Tfl和Tf2嗜冷裂殖酵母有一个单个相关的反转录转座子Tcryl八胞裂殖酵母无转座子， 但含有可能代表了灭绝的转座子的逆转录酶和整合酶的相关序列（S5和表S6）转座子在裂殖酵母物种进化出现刺参裂殖酵母之后的消失，与cbpl基因家族的出现相关， 这表明着丝粒功能的控制下的过渡在粟酒裂殖酵母中， Cbpl 蛋白结合着丝粒重复序列并 且是转座子沉默和维持基因组稳定性所需（ 7,8）虽然被称为一种人类着丝粒结合蛋白 CENP-B的同源基因，但在裂殖酵母系谱中，Cbpl蛋白明显从被驯化的Pogo-like DNA转座 子独立进化（9）cbp1基因家族的出现也关系到从刺参裂殖酵母（见下面）中RNAi介导 的转座子沉默到粟酒裂殖酵母中 Cbpl-based 机制的切换，这表明 Cbpl-based 转座子控制的 转移可能通过促进长链末端重复序列间的遗传重组基因缺失（LTRs），使大多数来自裂殖酵 母基因组的转座子消除（8）此外，cbp1家庭发展迅速（图S6），这表明Cbp1-based转座子 沉默是在刺参裂殖酵母分歧出现后的裂殖酵母特有创新。

转座子的损失是伴随着由庞大的染色体架构重组省去着丝粒的功能，这表明新颖的着丝粒结 构的进化弥补了转座子的损失在刺参裂殖酵母中，转座子聚集在端粒和着丝粒附近，如同 在后生动物中一样（图1，B和C）在其它的裂殖酵母纲中，亚端粒和近着丝粒也是重复 的，但缺乏转座子（图1C）然而，像刺参裂殖酵母，着丝粒和亚端粒重复序列被限制在近 着丝粒和亚端粒区域，个别地，有一个例外——着丝粒重复序列在粟酒裂殖酵母交配型位点 处参与转录沉默（10）我们证实了着丝粒是由组蛋白H3赖氨酸9 （H3K9）甲基化定位的 异染色质（图S7），并通过减数分裂定位展示了刺参裂殖酵母着丝粒的功能（表S2） 虽然着丝粒重复序列迅速发展，但即使相关的菌株之间不同（11），个别重复序列往往在菌 株内类似（图1C）粟酒裂殖酵母、八胞裂殖酵母和嗜冷裂殖酵母的着丝粒重复序列之间没 有任何相似性然而，粟酒裂殖酵母和八胞裂殖酵母着丝粒都含有重复的组成，染色体间的 高度相似，被排列在有一个独特的核心序列的更大的倒置重复的结构中（图1C），这表明它 们不可逆重组的均化和刺参裂殖酵母对称性的缺失对比，可看出换位比起通过重组的同质 化更迅速地发生因此，抑制换位可能同时导致转座子序列的变性和对称的着丝粒重复序列 的进化。

尽管着丝粒序列和排列在染色体臂上基因的分歧，在粟酒裂殖酵母和八胞裂殖酵母间，核型 和近着丝粒的基因排列顺序仍是保守的（图S8）因此，虽然基因转换在不同的着丝粒间保 持着丝粒重复序列之间的相似性，但是着丝粒间的交叉重组却被抑制在这些谱系中，我们 观察到既无着丝粒的易位也无新着丝粒的活动，即使着丝粒可能会出现在操纵的粟酒裂殖酵 母菌株的新位置处（12）粟酒裂殖酵母、八胞裂殖酵母和嗜冷裂殖酵母的着丝粒中重复组成 的保留，暗示着即使它们已经失去了它们的转座子，然而着丝粒重复序列仍起重要的作用由于siRNA涉及到转座子沉默和着丝粒的功能（13），我们研究了在裂殖酵母系谱中它所 起的作用在粟酒裂殖酵母中，着丝粒重复序列通过 Argonaute 依赖性异染色质形成产生 Dicer依赖性siRNA用于维持着丝粒的结构、功能和转录后沉默（14）不过，粟酒裂殖酵 母中转座子的沉默通过RNAi独立机制，不产生大量siRNA（图1和图S9）（7）为了研 究着丝点指导 siRNA 产生的是否是保守的，在刺参裂殖酵母转座子丰富的着丝粒中，我们 对刺参裂殖酵母培养皿对数期的小分子RNA测序（其中有一个23个核苷酸的标准模板） （4），发现94 %定位到转座子，端粒和着丝粒上都有（图1B和图S9中）。

在刺参裂殖 酵母而不是粟酒裂殖酵母中 siRNA 定位到转座子的事实表明，无论是裂殖酵母中的 RNAi 途径以重复序列而不是可动组成本身为目标，还是途径演变远离祖先都在转座子控制中在异 染色质功能表达中起到专有作用交配型位点的演变在所有4 种菌种中，交配型位点和用于调节交配型切换的顺式作用组成 的结构是高度保守的（图S10）表达垫1的轨迹可以有正的（P）或负的（M）等位基因， 并在两者之间通过来自两个异染色体联盟沉默供体匣mat2-P和mat3 M表观遗传编程的基 因转换来切换（15-17）（图S10及S11）被用于表观基因印记和重组切换（18-20）的顺 式作用调节序列是保守的所需的（4）（图S11），因为是关于垫1的表观遗传编程的基因 组标记（ 15）相反，粟酒裂殖酵母中是没有其他物种可识别的顺式作用序列参与转录抑制沉默匣，即使供 体盒中有富集的H3K9me异染色质（图S7）在刺参裂殖酵母中，沉默垫位点被发现直接 关系3号染色体的着丝粒，这表明它们可能由于位置的影响来沉默在八胞裂殖酵母和嗜冷 裂殖酵母，垫位点远离着丝粒，但每个含有一个转座子的残体的保守区，这可能是沉默触发 器它们还含有反向重复序列，尽管比起粟酒裂殖酵母中两侧有垫2/3轨迹的反向重复序列 更短，更相互类似（21）。

因此，它们的的沉默策略可以能共享来自于粟酒裂殖酵母和刺参 裂殖酵母的组成这些结果表明，印迹和切换的机制已被保存，但建立异染色质的策略是可 塑的比较转录组的注释 我们注明了三个基因组中使用的标准方法并和粟酒裂殖酵母相比较（4） 然后，我们深度测序了多聚（A）富集，链特异性的cDNA（22-24）（RNA-Seq），并为了 对数期，葡萄糖消耗，早期固定相，热休克来自粟酒裂殖酵母，八胞裂殖酵母和刺参裂殖酵 母以及对数期，葡萄糖消耗和热休克来自嗜冷裂殖酵母建造从头转录模型（图S12） 在粟酒裂殖酵母中，我们重建了5064个以前注释基因中的4277个，剩余的788个基因中， 有60％的被覆盖的长度至少有90％400个我们转录的模型改变了编码基因的外显子结构， 其中95%保持或改善保守的编码能力（表S7和S8及图S12）（25）此外，我们确定了 253个非翻译区（UTR）内含子最后，我们发现了 89个新的粟酒裂殖酵母的蛋白质编码 基因，其中53个是保守的（表S7和图S13）我们没有发现任何证据说明内含子丰富的裂 殖酵母基因如后生动物般进行选择性剪接（26）在粟酒裂殖酵母我们发现433个选择性剪 接活动以内含子保留的形式进行并有选择性的剪接供体或拼接受体的使用，但没有证据表明 外显子跳跃或外显子可替代。

我们还发现与其他物种相似水平的剪接变体（表S9）然而， 由于这些变种破坏编码的能力（图S14和S15），只有一小部分内含子保留物（146/393） 被保存在两个或两个以上的物种间我们认为，在裂殖酵母中的选择性剪接代表非生产性剪 接变异体有趣的是，在某些情况下，非剪接变种可能是编码蛋白的同种型（图S14中，C 和D，及S15，和表S10）转录主要是指蛋白质编码基因的转录稳定的裂殖酵母转录的大部分来自于注释的蛋白质 编码基因大部分的粟酒裂殖酵母的基因组用91%被至少一个RNA-Seq读取所涵盖的核苷 酸来转录（22）然而，大多数用稳态聚（A）丰富的RNA水平来测算的转录，是与定义 良好的转录本相关，其中大部分是蛋白质编码具体而言， 37%的间隔核苷酸（注释的蛋白 质编码转录的UTRs间）不被检测的表示，90%的转录间隔核苷酸只占0.16%的。