超詳整理 | 動(dòng)物群體基因組知識(shí)爆肝詳述

泛基因組由來(lái)

在漫長(zhǎng)的物種進(jìn)化過(guò)程中，由于自然選擇和人為選擇等因素的影響，每個(gè)個(gè)體都形成了極其特別的遺傳性狀。在種內(nèi)遺傳變異的經(jīng)典觀點(diǎn)中，每個(gè)個(gè)體的基因組被描述為共同參考基因組上的一組小變異。應(yīng)用上常見(jiàn)的就是群體遺傳研究中基于SNP進(jìn)行QTL、GWAS等變異與性狀關(guān)聯(lián)分析。
近年來(lái)，對(duì)同一物種多個(gè)個(gè)體的基因組或基因組片段的比較分析表明，單個(gè)參考基因組不足以捕獲一個(gè)物種的遺傳多樣性：不同生態(tài)型重測(cè)序數(shù)據(jù)一般只有50%~80%能比對(duì)到參考基因組上。

這些發(fā)現(xiàn)說(shuō)明一個(gè)物種內(nèi)的基因組可能以更顯著的方式存在差異（包括結(jié)構(gòu)變異（SV）的多樣性），這些變異可能包含一個(gè)或多個(gè)基因。而大量研究表明，SV在重要農(nóng)藝性狀上發(fā)揮關(guān)鍵作用（例如抗生物脅迫和非生物脅迫、開(kāi)花時(shí)間、植物結(jié)構(gòu)、產(chǎn)量、籽?；蚬麑?shí)品質(zhì)（Tao Y et al., 2019）。這些結(jié)果意味著一個(gè)物種的功能基因含量比以前想象的要更為多變。
因此對(duì)于一個(gè)物種來(lái)說(shuō)，如果只使用單一的參考基因組進(jìn)行遺傳馴化變異的研究，可能會(huì)丟失掉很多有意義的基因信息。以上種種因素，共同推動(dòng)了動(dòng)植物泛基因組的構(gòu)建與研究。

動(dòng)植物泛基因組差別

不同物種泛基因組研究對(duì)象可能不同：細(xì)菌基因組主要由編碼基因組成，非基因序列相對(duì)較少，因此細(xì)菌泛基因組研究更多的是針對(duì)蛋白編碼基因含量進(jìn)行。在動(dòng)植物上則因?yàn)榛蚪M上有大量的具有一定功能的非基因序列，因此真核生物中主要對(duì)序列和基因兩種形式進(jìn)行研究。與植物泛基因組不同，已發(fā)表的動(dòng)物泛基因組中更多是以序列為單位進(jìn)行。

上次著重給大家講解植物泛基因組，尤其是現(xiàn)在非常熱門(mén)的作物類(lèi)泛基因組（點(diǎn)擊回顧），今天小編帶大家一起看看動(dòng)物泛基因組。
從數(shù)量上看，植物有著更大的泛基因組。對(duì)多個(gè)人類(lèi)泛基因組研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于主要基于歐洲起源樣本的人類(lèi)參考基因組，亞洲和非洲人類(lèi)基因組中有5 Mb的額外序列（Li R et al.,Nat. Biotechnol.2010）。這項(xiàng)人類(lèi)全基因組研究表明人類(lèi)全基因組比參考基因組多出10%。其他動(dòng)物泛基因組包括豬（超出額外序列為72.5Mb），以及小鼠（16個(gè)小鼠中各有14-75Mb的非參考序列），這些都在人類(lèi)泛基因組大小的三倍以?xún)?nèi)。

為什么植物的泛基因組比哺乳動(dòng)物的泛基因組大得多？

為什么植物泛基因組文章層出不窮，動(dòng)物卻屈指可數(shù)？

這個(gè)問(wèn)題的答案可以通過(guò)考慮產(chǎn)生物種多樣性的突變和群體遺傳過(guò)程來(lái)找到：與單核苷酸變異一樣，結(jié)構(gòu)變異最初以突變的形式出現(xiàn)；中性變異受遺傳漂變的影響，而其他變異要么被固定（正選擇）或丟失（負(fù)選擇）。因此，分析泛基因組的關(guān)鍵參數(shù)是結(jié)構(gòu)變異的突變率和控制遺傳漂變的有效群體規(guī)模，以及中性SVs的相對(duì)比例。與動(dòng)物相比，植物擁有更多的雜交品系、擁有更多的農(nóng)藝性狀、可以更多的生殖方式，因此植物在數(shù)量上有一些優(yōu)勢(shì)，這使得人們期望擁有更大的泛基因組。

在突變水平上，大量最近擴(kuò)增的轉(zhuǎn)座子（TEs）可以產(chǎn)生序列重復(fù)和缺失，為非等位同源重組提供了充足的底物。活躍的TEs也能調(diào)動(dòng)相鄰序列并產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化。與其他類(lèi)群雜交同樣可以增加新的類(lèi)群；從自然遺傳變異的角度來(lái)看，這種基因遷移的效果類(lèi)似于突變。另外，由于開(kāi)花植物物種有古代復(fù)制的歷史，剩余的有效冗余可能允許更多的SV（特別是缺失）是中性的。第二個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是有效種群規(guī)模，因?yàn)檩^大的種群產(chǎn)生更多的突變，并且可以容納更多因漂移而產(chǎn)生的持續(xù)變異。與哺乳動(dòng)物相比，植物更大的有效群體規(guī)模解釋了持續(xù)單核苷酸變異增加10倍以上的原因（引自Li L et al.,Annu. Rev. Plant Biol. 2021）。

動(dòng)物群體規(guī)模基因組

基于以上種種原因，使得動(dòng)物群體基因組研究?jī)?nèi)容及探索方向與植物泛基因組有所不同，根據(jù)材料選取的親緣關(guān)系遠(yuǎn)近，我們可以將動(dòng)物群體規(guī)?；蚪M分為譜系基因組研究與泛基因組研究：

（1）譜系基因組

近年來(lái)，通過(guò)構(gòu)建大量動(dòng)物基因組進(jìn)行研究的文章，多是在種及種水平以上進(jìn)行剖析，主要以探究物種間的進(jìn)化譜系為核心來(lái)開(kāi)展研究。文中往往通過(guò)構(gòu)建大規(guī)模的群體基因組（De novo），著重關(guān)注具有某類(lèi)特征的物種，來(lái)探索物種基因組結(jié)構(gòu)特征差異、形成歷史、分化地位、趨同進(jìn)化、物種適應(yīng)性、群體特征、基因組的演化和潛在功能等進(jìn)化問(wèn)題。

例如2021年Nature Genetics上發(fā)表的比目魚(yú)基因組研究，作者解析了鰈形目中9個(gè)科內(nèi)的11種比目魚(yú)基因組，通過(guò)基因樹(shù)與物種樹(shù)等研究揭示了鰈形目的鰈亞目和鰜亞目在白堊紀(jì)晚期，通過(guò)二次獨(dú)立的進(jìn)化事件由不同的鱸形目魚(yú)類(lèi)祖先演變而來(lái)的演化歷程。并對(duì)兩種不同來(lái)源亞目的比目魚(yú)具有類(lèi)似基因和信號(hào)通路形成獨(dú)特體軸的特性，進(jìn)行趨同進(jìn)化研究。該研究通過(guò)大量完整的基因組數(shù)據(jù)分析，為理解比目魚(yú)不同尋常的身體結(jié)構(gòu)的遺傳起源提供了寶貴的資源和見(jiàn)解。

圖1 比目魚(yú)的多系起源與快速基因組進(jìn)化（Lv Z et al., Nature Genetics.2021）

同樣這樣大規(guī)模不同科屬研究的還有2020年Nature封面文章，通過(guò)6種蝙蝠基因組揭示演化和潛在功能，探索蝙蝠有別于其他哺乳動(dòng)物的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制。以及2020年發(fā)表在Science上的反芻動(dòng)物基因組，該研究共進(jìn)行了6個(gè)科的44個(gè)反芻動(dòng)物De novo組裝，結(jié)合化石信息，構(gòu)建了所有節(jié)點(diǎn)100%支持的全基因組系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，高置信度的進(jìn)化樹(shù)進(jìn)一步確認(rèn)了叉角羚科與長(zhǎng)頸鹿科的姐妹類(lèi)群關(guān)系，以及麝科與?？平忝妙?lèi)群關(guān)系等一直以來(lái)備受爭(zhēng)議的分類(lèi)問(wèn)題。并對(duì)反芻動(dòng)物基因組結(jié)構(gòu)特征及演化進(jìn)行研究，進(jìn)而對(duì)反芻動(dòng)物中的“消化系統(tǒng)”“多腔胃演化”“角形態(tài)”“體型”等特征進(jìn)行解析。該研究基于大量的基因組數(shù)據(jù)，將反芻動(dòng)物基因功能與動(dòng)物的適應(yīng)性性狀聯(lián)系起來(lái)，為動(dòng)物譜系基因組打開(kāi)了一個(gè)新的研究篇章。

圖2 反芻動(dòng)物系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)

除了上述跨越科水平的譜系基因組研究，其實(shí)還有很多同科內(nèi)不同屬間的動(dòng)物群體基因組。例如通過(guò)構(gòu)建硬蜱科內(nèi)6種蜱蟲(chóng)基因組，解析不同蜱種的演化歷程，揭示了蜱專(zhuān)性吸血的遺傳機(jī)制以及蜱蟲(chóng)遺傳多樣性及分布規(guī)律，并通過(guò)宏基因組學(xué)研究等方式探究了蜱媒病原體的生態(tài)分布和進(jìn)化機(jī)制（Jia N et al., Cell.2020）。

圖3 蜱蟲(chóng)進(jìn)化關(guān)系與基因組特征

針對(duì)于同一個(gè)屬內(nèi)不同種之間的研究，由于其間親緣關(guān)系相對(duì)較近，基因組間相似度較高，往往是對(duì)其基因結(jié)構(gòu)特征差異、轉(zhuǎn)座子分析、屬內(nèi)分類(lèi)研究、基因組間的基因漸滲現(xiàn)象、大型結(jié)構(gòu)變異挖掘、基因正選擇分析上進(jìn)行。例如，作者通過(guò)構(gòu)建20個(gè)新的袖蝶屬基因組揭示基因滲入和不完全譜系分選的作用（Edelman N B et al.,Science.2020）、通過(guò)15個(gè)亞屬的17種熊蜂基因組確定了關(guān)鍵生態(tài)和取食偏好等行為特征相關(guān)的變異（Sun C et al.,Mol Biol Evol.2020）。

圖4 蝴蝶進(jìn)化關(guān)系（上）與熊蜂進(jìn)化關(guān)系及基因組結(jié)構(gòu)特征（下）

（2）泛基因組

• 對(duì)于一些農(nóng)業(yè)畜牧養(yǎng)殖相關(guān)的動(dòng)物，往往由于人工的干預(yù)或是自然環(huán)境的選擇，在同一個(gè)種內(nèi)水平下會(huì)有非常多的品系/亞種/變種。這些馴化前后的群體間表型和基因型的巨大差異可能隱藏在每個(gè)品系基因組種，因此能體現(xiàn)這些動(dòng)物品系內(nèi)的共性又能體現(xiàn)不同品種間差異的泛基因組就顯得尤為重要。
  通常泛基因組研究除了構(gòu)建pan-genome，會(huì)進(jìn)行核心基因（core gene）、非核心基因（dispensable gene）以及特有基因（Private）來(lái)研究物種相關(guān)農(nóng)藝性狀與功能基因。而結(jié)構(gòu)變異是泛基因組的重點(diǎn)研究對(duì)象，通過(guò)PAV（存在與缺失變異）、倒位、易位、拷貝數(shù)變異等結(jié)構(gòu)變異信息尋找引起不同品系間差異性狀的關(guān)鍵變異位點(diǎn)。除此之外，泛基因組還可以結(jié)合三維表觀調(diào)控、群體遺傳進(jìn)化、全基因組關(guān)聯(lián)分析、轉(zhuǎn)錄共表達(dá)、差異代謝物以及數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建存儲(chǔ)等方式進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)挖掘。
  

  圖5 核心與非核心基因示例圖

  （Li L et al.,Annu. Rev. Plant Biol. 2021）

在動(dòng)物物種中研究最廣泛的還是人類(lèi)的泛基因組，除了人類(lèi)之外，已經(jīng)對(duì)果蠅、小鼠、豬、雞和鮭魚(yú)等動(dòng)物有了相關(guān)研究，并在2020年首次基于圖形泛基因組（Graph-based）的方式構(gòu)建牛泛基因組（Crysnanto D et al., Genome Biology.2020）。

這里面比較經(jīng)典的泛基因組案例，例如：①作為重要家畜以及生物學(xué)模型的豬于2019年構(gòu)建了泛基因組（Tian X et al.,SCIENCE CHINA Life Sciences.2019），將11個(gè)不同品種豬從頭組裝基因組與豬參考基因組進(jìn)行比對(duì)，鑒定了約占全基因組3%的非冗余序列，從而構(gòu)建泛基因組。并發(fā)現(xiàn)約9Mb的泛基因組序列在中國(guó)豬中頻率顯著高于歐洲豬，轉(zhuǎn)錄組顯示一條14.3kb參與脂肪大寫(xiě)通路基因的序列在中國(guó)豬中高表達(dá)，說(shuō)明該基因的存在或缺失可能是東西方豬品種表型差異的原因之一。同時(shí)，作者還基于Hi-C技術(shù)的染色體互作信息構(gòu)建豬三維基因，鑒定泛基因組在A/B compartment、TAD結(jié)構(gòu)及調(diào)控上的特性，說(shuō)明了泛基因組序列的加入將助于準(zhǔn)確描述整個(gè)基因組的三維結(jié)構(gòu)。研究的最后也少不了構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，將泛基因組和調(diào)控表達(dá)等數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，使其他科研學(xué)者可以更好的利用這些重要數(shù)據(jù)（http://animal.nwsuaf.edu.cn/code/index.php/panPig）。

圖6 豬基因組特征及泛基因組A/B Compartment、TAD分布

② 地中海貽貝具有極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，是歐洲和中國(guó)重要的海產(chǎn)品。作者基于Illumina及PacBio等技術(shù)構(gòu)建了1.28G地中海貽貝基因組，并對(duì)來(lái)自?xún)蓚€(gè)獨(dú)立群體的14個(gè)個(gè)體進(jìn)行了重新測(cè)序后，揭示了地中海貽貝的復(fù)雜泛基因組結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，非核心基因與受結(jié)構(gòu)變異影響的半合子基因組區(qū)域相關(guān)，這些區(qū)域總共占了參考基因組組裝中未包含的近580 Mb DNA序列。富集分析表明，非核心基因顯著富集在與環(huán)境適應(yīng)性相關(guān)的通路中（如細(xì)胞凋亡、免疫信號(hào)傳導(dǎo)等）。PAV也顯著影響地中海貽貝中編碼抗菌肽（AMPs）的基因家族，表明非核心基因組增強(qiáng)了地中海貽貝的環(huán)境適應(yīng)性。這是報(bào)道在動(dòng)物界廣泛存在基因存在缺失變異的研究（ Gerdol M et al., Genome Biology. 2020）。

圖7 地中海泛基因組構(gòu)建與PAV驗(yàn)證

③ 2021年Wang等首次使用664個(gè)個(gè)體構(gòu)建了雞泛基因組，該基因組鑒定出了參考基因組中缺失的額外約66.5 Mb序列。構(gòu)建的泛基因組編碼20491個(gè)預(yù)測(cè)蛋白編碼基因，其中保守基因的表達(dá)水平高于非必需基因。存在/缺失變異（PAV）分析表明，雞的PAV基因是由選擇、遺傳漂變和雜交形成的。基于PAV的GWAS鑒定了許多與生長(zhǎng)、胴體成分、肉質(zhì)或生理特性相關(guān)的候選突變。并首次報(bào)道了位于27號(hào)染色體上的雞體大小QTL變異。雞泛基因組是生物發(fā)現(xiàn)和育種的有用資源，它提高了我們對(duì)雞基因組多樣性的理解，并為揭示雞馴化的進(jìn)化歷史提供了材料（Wang K et al.,Mol Biol Evol.2021）。

圖8 雞泛基因組構(gòu)建及PAV鑒定與群體結(jié)構(gòu)研究

小結(jié)

基于以上介紹，我們不難發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)物泛基因組研究的時(shí)候需要明確手中材料處于一個(gè)什么樣的分類(lèi)水平?；诓煌纳飳W(xué)研究目的來(lái)選擇是做進(jìn)化方向的譜系基因組還是做變異與馴化性狀的泛基因組研究。泛基因組分析有助于理解物種的特征，同時(shí)泛基因組圖譜提供的基因PAV變異或基因復(fù)制等復(fù)雜基因組變異，有助于解析動(dòng)植物表型和性狀的多樣性。

那么動(dòng)植物泛基因組研究的材料怎么選取、如何構(gòu)建、分析如何開(kāi)展呢？更多泛基因組知識(shí)可上百邁客云平臺(tái)課程，免費(fèi)學(xué)習(xí)！ http://live.biocloud.net/course/187 （課程任務(wù)5）。