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【摘要】：編碼同一種氨基酸的密碼子稱為同義密碼子。在生物界,各物種間乃至同一物種不同基因間,其同義密碼子的使用頻率是有差異的,稱為同義密碼子使用偏好性。密碼子使用偏好性被認為是長期進化的結果,在進化過程中受到外界環境及內部分子突變等多重因素的共同作用,研究密碼子的偏好性以及導致這種偏好性形成的因素,對于了解生物基因組的特征、分子進化以及生態適應等將具有重要啟示。線粒體DNA的拷貝模式、分子量、遺傳模式、進化速度等特性與核基因相比較均有較大區別,但在線粒體編碼基因中,密碼子使用頻率的不平衡現象廣泛存在。實際上,由于線粒體基因組分子量較小,且獨立遺傳,因此在分析密碼子使用偏好性上具有一定的完整性及特異性優勢。小鯢科是兩棲綱()有尾目(Caudata)主要類群之一,在有尾類的進化研究中具有重要意義和價值。目前,大部分小鯢科物種的全線粒體基因組測序已完成,但密碼子偏好性方面的研究還尚未報道過。因此,本研究將運用相關性分析、主成分分析和中性繪圖分析等生物信息學手段,探討20種小鯢科動物線粒體基因組密碼子的使用模式；揭示小鯢科物種在進化過程中,方向性突變和中性選擇哪一個是決定線粒體基因組密碼子偏好性模式的主要因素。
此外,基于密碼子使用偏好性構建系統進化關系,并與其它分子學方法構建的系統發育樹進行對比,期望對小鯢科遺傳和進化的研究提供一個新的思路。研究結果如下：1.20種小鯢科動物線粒體蛋白編碼基因序列中GC含量均低于40%,同義密碼子第三位GC含量小于30%,二者均少于50%,表現出AT堿基使用的偏好性。由于四種堿基組成上存在區別,密碼子使用上有NNA和NNT型密碼子的偏好性。此外,20種小鯢科動物的線粒體編碼蛋白基因在對密碼子使用上具有偏好性,且各物種具有相似的密碼子使用模式,在表現出偏好性的同時各物種之間偏好性差異變化不大,也就是說小鯢科線粒體基因組在進化過程中具有一定程度上的保守性。2.使用ENC和GC3s進行繪圖分析,結果顯示,大部分基因的點位于標準曲線的外側或下方,和標準曲線的擬合度較低,說明其它因素和突變壓力等共同參與了小鯢科線粒體蛋白編碼基因密碼子使用偏好性的形成。同時,基于RSCU值進行主成分分析,第1主成分只能解釋密碼子使用偏好的部分量變化。應用相關性分析對各因素的權重進行比較,結果顯示線粒體蛋白編碼基因密碼子偏好性的影響因素在小鯢科的不同物種中表現出差異性。通過對中性繪圖、ENC繪圖、PCA以及COA的結果進行統一分析,結果顯示小鯢科線粒體蛋白編碼基因密碼子的偏好性,是自然選擇和突變壓力共同作用的結果,自然選擇是主導因素。
各單一因素的影響,在不同物種間表現出聯合共同作用的方式,其中最優密碼子概率(Fop)、疏水性(Gravy)與芳香性(Amoro)與密碼子的偏好密切相關；而基因長度(L aa)、表達水平對密碼子偏好性也有影響。3.對小鯢科線粒體基因組中密碼子使用模式與tRNA反密碼子的對應關系進行統計分析結果顯示：小鯢科共鑒別出22組同義密碼子家族,其中12組出現次數最多的密碼子與tRNA反密碼完全匹配,混合密碼子組包含3組,其余7組中出現次數最多的密碼子與tRNA反密碼沒有完全匹配,而是通過密碼子第三位點搖擺而結合。綜合這些結果進行推測,tRNA豐度對小鯢科線粒體基因組中的密碼子偏好性影響較小,表現出間接影響的特征,其具體的機理還有待于進一步的探索。4.一般認為,物種親緣關系越近密碼子使用模式應越相似。因此本研究基于20種小鯢科物種線粒體13個蛋白編碼基因密碼子的使用模式(RSCU值)為指標進行聚類分析,作為物種親緣關系的分析參考。之后將該聚類結果與已被證實具有分類學意義的精確分子數據進行比較研究,通過構建線粒體蛋白編碼序列數據集,利用ML及BI方法構建系統發育樹。二者比較的結果顯示聚類結果及系統發育樹結果不一致,說明物種的親緣關系與線粒體蛋白編碼基因CDS的差異大小有一定關系。基于密碼子偏好性的聚類結果雖然不如基于CDS構建系統發育關系更接近真實的系統發育關系,但一些研究顯示分子系統發育也并非完美的分類解決手段。更深入的研究如將衡量密碼子偏好性其它指標進行結合,共同聚類,使用新的數模手段,將能夠提高聚類結果的可靠性,為傳統形態分類及分子系統發育分析提供補充和參考。
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