1、基因家族是指具有共同祖先、序列相似的一組基因?；蚣易逍蛄蟹治鲆呀?jīng)廣泛滲透到現(xiàn)代生物學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的各個(gè)方面,成為了生物學(xué)研究的一種常規(guī)手段。它廣泛應(yīng)用于研究物種的起源、分化、進(jìn)化機(jī)制及檢測(cè)自然選擇壓力等。現(xiàn)在還發(fā)現(xiàn)基因家族的序列信息對(duì)系統(tǒng)生物學(xué)的研究有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　本文試圖從三個(gè)方面挖掘基因家族所包含的信息:基因的倍增時(shí)間、倍增基因的功能分化和基因多效性。雖然本文僅利用了脊椎動(dòng)物、果蠅、酵母等物種的序列信息,但本文所使用的

2、方法還可以擴(kuò)展到其物種的相關(guān)研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論現(xiàn)歸納如下:
　　1.在人類基因組中,基因倍增的時(shí)間分布呈現(xiàn)出兩個(gè)波峰和一個(gè)古老基因集。由于功能的限制,不同的功能分類也會(huì)表現(xiàn)出基因倍增后保留的差異性,并且各個(gè)功能分類之間還會(huì)相互影響,從而保持相似的基因保留模式?，F(xiàn)在已經(jīng)知道某些功能的基因,在脊椎動(dòng)物早期大量倍增,但各個(gè)功能分類間的基因倍增時(shí)間相關(guān)性還沒(méi)有相關(guān)的研究。為此,我們開(kāi)發(fā)了一套可靠的用來(lái)估計(jì)基因倍增時(shí)間的流程,并

3、用之估計(jì)了人類中大部分基因的倍增時(shí)間,分析了不同功能分類間以及不同表達(dá)位置間的相關(guān)性。以GO分類來(lái)看,功能相關(guān)的基因分類聚在了一起。所有GO分類中,形成了兩個(gè)與全基因組明顯差異的功能組。一個(gè)是發(fā)育相關(guān)的功能組。另一個(gè)是生物生理過(guò)程相關(guān)的功能組。我們利用了更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓烙?jì)基因倍增時(shí)間的方法研究了三個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的基因超家族:轉(zhuǎn)錄因子、蛋白激酶和G蛋白受體。它們的倍增時(shí)間分布模式與GO分類中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分類是相似的。此外,我們還比較了在不同細(xì)胞位

4、置表達(dá)的倍增基因的時(shí)間分布模式。從細(xì)胞核到細(xì)胞外,基因倍增在時(shí)間分布模式上與全基因組是相似的。細(xì)胞外表達(dá)的基因在近600百萬(wàn)年以來(lái),倍增速度有一定幅度的加快。
　　2.基因倍增及其后的功能分化被認(rèn)為是基因組功能多樣性的來(lái)源。雖然已有幾個(gè)模型用來(lái)描述基因倍增后的功能分化模式,但還是很有必要建立合適的倍增基因間的功能距離測(cè)度。我們提出了一種量度兩個(gè)直系同源基因簇間功能距離的簡(jiǎn)單方法。我們對(duì)經(jīng)過(guò)兩次基因倍增后產(chǎn)生的具有三個(gè)直系同源基因簇

5、的脊椎動(dòng)物基因家族進(jìn)行了一種新的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了基因倍增后功能分化的兩種模式。這兩種分化模式顯示出基因分化對(duì)兩次基因倍增具有不同的作用。功能距離分析可以為基因分化后不同直系同源基因簇間的功能分化水平提供簡(jiǎn)單的測(cè)度并將有助于理解功能基因組中的功能創(chuàng)新機(jī)制。
　　3.基因多效性是指一個(gè)基因能夠同時(shí)影響多個(gè)表型,這是基因的一個(gè)很普通的屬性。生物學(xué)家很久以來(lái)就意識(shí)到了基因多效性的重要性。然而,對(duì)基因多效性的范圍還沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的探究。理論上

6、,Fisher的模型假設(shè)了一個(gè)廣泛多效性模型,也就是說(shuō),一個(gè)基因的突變可以潛在地影響所有的性狀。另外一方面,實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明基因通常僅能影響幾個(gè)不同的表型。我們估計(jì)了321個(gè)脊椎動(dòng)物基因的多效性,發(fā)現(xiàn)一個(gè)基因通常只能影響6～7個(gè)的分子表型(對(duì)應(yīng)于生物適應(yīng)度的維度)。另外,我們發(fā)現(xiàn)估計(jì)出來(lái)的基因多效性與GO生物過(guò)程數(shù)目和表達(dá)寬度是正相關(guān)的。這說(shuō)明了這種估計(jì)基因多效性的測(cè)度具有確定的生物學(xué)意義。此外,根據(jù)我們的結(jié)果,基因多效性具有一個(gè)確定的數(shù)

7、值,所以在理論研究時(shí),假定基因突變具有廣泛多效性,是值得商榷的。
　　4.介紹了一個(gè)計(jì)算基因多效性的可視化軟件Genepleio,并對(duì)計(jì)算誤差進(jìn)行了評(píng)估和就如何改善計(jì)算誤差提出了建議。為了擴(kuò)大基因多效性測(cè)度的應(yīng)用范圍,本文還提供了一個(gè)位點(diǎn)多效性的計(jì)算方法。利用Genepleio,我們研究了三類物種(脊椎動(dòng)物、果蠅、酵母)中基因多效性分布的情況,發(fā)現(xiàn)脊椎動(dòng)物和果蠅具有相似的基因多效性分布,并且它們的基因多效性平均值低于酵母。進(jìn)一步關(guān)