上海市生物物理学会

SHANGHAI SOCIETY OF BIOPHYSICS

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丁建平研究员和李海鹏研究员发现Nrk新外显子和加速进化对胎盘形成的关键作用

2021-09-13

2021814日,生殖生物学领域的国际重要学术期刊Placenta在线发表了题为《New exon and accelerated evolution of placental gene Nrk occurred in the ancestral lineage of placental mammals》的研究论文,该研究由上海生物物理学学会理事长、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心的丁建平研究员,上海营养与健康研究所李海鹏研究员、理事,和华东师范大学的潘逸萱副教授合作完成。尿囊绒毛膜胎盘是胎盘哺乳动物特有的结构,与有袋类动物的卵黄囊绒毛膜胎盘相比,其具有更强的侵入性,同时它对胎儿发育和母体分娩起到至关重要的作用,也是使胎盘哺乳动物成为最成功的一类陆生脊椎动物的重要原因。尽管研究表明多个基因和胎盘发育有关,但哪些基因受到自然选择并驱动了尿囊绒毛膜胎盘的产生尚无明确研究。

  通过全基因组扫描,研究者发现Nrk基因的多个外显子存在加速进化信号。据报道,Nrk基因属于GCK-IV亚家族,对小鼠的胎盘发育和分娩至关重要,Nrk基因敲除小鼠的胎盘增大且胎鼠无法引发分娩信号从而造成母鼠分娩异常。进一步分析比较有袋类和鸟类,发现胎盘哺乳动物的Nrk基因多出一个外显子,并且其相邻的外显子均检测到了加速进化现象。然而同属于GCK-IV亚家族的其他基因结构高度一致,提示其基因结构在进化上极为保守。此外,NRK蛋白同源模建的结果显示,受加速进化作用的2号和3号外显子编码P-loop,在催化过程中起到结合ATP的重要作用,而5号外显子则编码催化域的α1-helix结构。因此,这三个外显子的非同义突变可能造成催化功能的改变,新插入的、序列极为保守的4号外显子则编码NRK蛋白的一个loop L4)结构。L4可能通过与P-loopactivation loop的结合来调整或保持α1-helix的构象进而影响催化功能;另一种可能情况是,由于L4插入α1-helixN端,其高度灵活性可能影响到α1-helix的完整性,进而改变Nrk的催化功能。这些研究结果表明,在胎盘哺乳动物形成时期,意外新插入的Nrk外显子受到了自然选择从而在群体中固定下来,并且其序列高度保守。该外显子编码的Loop结构,赋予了Nrk新的功能,并且为了更好地优化这一新功能,周边的外显子受自然选择驱动从而发生了加速进化,通过与其他胎盘相关的基因相互作用,最终导致尿囊绒毛膜胎盘的形成。

  此外,研究者使用检测编码区自然选择的常用软件PAMLDNAspNrk基因进行了分析,均未能成功检测到自然选择信号,而新近开发的Kung-Fu Panda软件则顺利在多个exons,多个区域检测到了自然选择信号,表明Kung-Fu Panda软件对于检测编码区和非编码区的自然选择、研究物种特有性状背后的遗传和进化机制具有独特的优势。

 

文章链接:https://authors.elsevier.com/a/1dbbWWcm39vYO

 

图:新插入外显子编码的Loop L4)以及相邻的、受到加速进化影响的P loopactivation loopNRK蛋白质结构。

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