長爪沙鼠線粒體DNA控制區(qū)全序列測定及分析

李長龍，盧領(lǐng)群，郭紅剛，柯賢福，戴方偉，薩曉嬰

(浙江省醫(yī)學科學院 浙江省實驗動物中心，杭州 310013)

研究報告

長爪沙鼠線粒體DNA控制區(qū)全序列測定及分析

李長龍，盧領(lǐng)群，郭紅剛，柯賢福，戴方偉，薩曉嬰

(浙江省醫(yī)學科學院 浙江省實驗動物中心，杭州 310013)

目的對長爪沙鼠線粒體DNA控制區(qū)全序列進行測定，并對其進行鑒定及進化分析。方法根據(jù)長爪沙鼠已知基因序列設(shè)計引物，采用PCR產(chǎn)物測序法，對所得的片段進行測序鑒定。結(jié)合已公布嚙齒類動物D-loop區(qū)序列，分析其堿基組成、遺傳距離、并基于最小進化法和UPGMA法構(gòu)建系統(tǒng)進化樹。結(jié)果獲得長爪沙鼠D-loop區(qū)序列，其與家鼠、小家鼠和倉鼠平均同源性為58%;堿基組成分析顯示，長爪沙鼠與嚙齒類動物有相似的堿基組成和堿基偏離，其A-skew和G-skew分別為0.0047和－0.28。進化分析結(jié)果顯示，長爪沙鼠與家鼠(0.35)、黑家鼠(0.38)和倉鼠(0.39)具有較近的遺傳距離，其分化順序為跳鼠、蔗鼠、長爪沙鼠、倉鼠、家鼠和小家鼠。結(jié)論

本研究獲得長爪沙鼠D-loop區(qū)全序列，確定了長爪沙鼠與倉鼠、家鼠、小家鼠及其它嚙齒動物的進化關(guān)系，為長爪沙鼠進化研究、線粒體的結(jié)構(gòu)和功能研究奠定基礎(chǔ)。

長爪沙鼠;D-loop區(qū);序列測定;進化分析

線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)是高等動物唯一的核外遺傳物質(zhì)，呈共價閉合的環(huán)狀雙鏈結(jié)構(gòu)。與核基因組相比，線粒體基因組結(jié)構(gòu)簡單、進化速度快(是單拷貝核基因的5～10倍)，呈嚴格的母性遺傳，遺傳行為相對獨立，變異發(fā)生的幾率相對穩(wěn)定、無組織特異性、提取方便［1］。由于mtDNA的這些獨特遺傳特性，已被廣泛地用于物種起源與進化、生物分類、及群體遺傳結(jié)構(gòu)等方面的研究［2－4］。在進化分析時，研究者往往選擇不同的區(qū)域進行不同時間尺度的進化分析。線粒體控制區(qū)(D-loop region)是mtDNA中進化最快、變化最復雜的區(qū)域，常用于種內(nèi)或種間遺傳分化研究［5］。對線粒體D-loop區(qū)結(jié)構(gòu)和功能的研究不僅將有助于了解DNA復制、轉(zhuǎn)錄的機制和進化規(guī)律研究，而且對線粒體結(jié)構(gòu)和功能研究也具有很大意義［6］。

長 爪 沙 鼠 (Mongolian gerbil， Meriones unguiculatus)俗稱蒙古沙鼠，屬于嚙齒目，倉鼠科，沙鼠亞科，沙鼠屬，又稱長爪沙土鼠、蒙古沙鼠和黃耗子等，野生長爪沙鼠主要分布于我國內(nèi)蒙古及其毗鄰的干旱和半干旱地區(qū)［7］。1935年大連衛(wèi)生所的春日送給日本北里研究所20對長爪沙鼠并開始馴化，后引種到美、英、法等國。日本國家實驗動物中心(NIBIO)現(xiàn)已培育成3個長爪沙鼠近交系［8］。我國有兩個主要的長爪沙鼠群體，分別保存于浙江省實驗動物中心和首都醫(yī)科大學［7］。長爪沙鼠具有獨特的解剖學、生理學和行為學性狀，對于一些疾病(如:腦缺血、癲癇、高血脂、寄生蟲、細菌、病毒和老年性疾病等)的研究具有極為重要的價值［9-11］。長爪沙鼠被認為是研究脂質(zhì)代謝良好的模型動物［7，8，12，13］，在越來越多的研究所使用。但是，國內(nèi)外對長爪沙鼠線粒體D-loop區(qū)的研究還未見報道。本研究對長爪沙鼠線粒體 D-loop區(qū)全序列進行測定和鑒定，并結(jié)合已公布嚙齒類動物D-loop區(qū)序列進行系統(tǒng)進化分析，旨在為長爪沙鼠系統(tǒng)進化關(guān)系提供遺傳學資料，為全長線粒體測定分析奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

長爪沙鼠來自浙江省實驗動物中心(生產(chǎn)許可證號:SYXK(浙)2008-033;使用許可證號:SYXK (浙)2008-0014)，長爪沙鼠解剖采集肝臟樣品，－20℃保存。

1.2 總DNA提取

采用酚氯仿抽提法提取基因組DNA，0.7%瓊脂糖凝膠電泳檢測，－20℃保存。

1.3 引物設(shè)計和PCR擴增

分別參照長爪沙鼠 mtDNA序列 AB381901和AJ851249設(shè)計上下游引物［14，15］，引物由上海生工合成。上游(cyt B 3′端)5’-ATCGGACAAGTCGCT TCAAT-3’，下游(12S 5′端)5’-AGCGATGGCTCG TAGTTCTC-3’。

擴增反應體系總體積為25 μL:模板DNA 100 ng、10×buffer 2.5 μL、MgC12(2.5 mol/L)2 μL、dNTP 2 μL、上下游引物(10 pmol/L)各1 μL、1 U pfuDNA聚合酶，加滅菌純水補足。擴增條件:94℃預變性5 min，94℃變性30 s，56.5℃復性30 s，72℃延伸1 min，30個循環(huán)，72℃延伸7 min。

1.4 序列純化、測序、拼接

用北京天根凝膠回收試劑盒對 PCR擴增產(chǎn)物進行純化，純化后的產(chǎn)物由上海美季公司完成測序工作，Chromas 2.22校對測序圖，DNAMAN5.5拼接序列。

1.5 序列的鑒定和分析

圖1 PCR擴增長爪沙鼠線粒體D-loop區(qū)Fig.1 The results of PCR amplified D-loop region in Mongolian gerbil.

從GenBank下載其他嚙齒類動物類mtDNA控制區(qū)序列，GenBank登錄號分別為:NC_005089家鼠(Mus musculus)、NC_012387小家鼠(Mus musculus castaneus)、NC_006914西歐家鼠(Mus musculus domesticus)、NC_006915日本小鼠(Mus musculus molossinus)、NC_010339東歐家鼠(Mus musculusmusculus)、NC_012389緬鼠(Rattus exulans)、NC_ 012461帥家鼠(Rattus praetor)、NC_012374黑家鼠(Rattus rattus)、NC_011638達氏家鼠 (Rattus tanezumi)、AC_000022褐家鼠(Rattus norvegicus)、NC_013068大倉鼠(Tscherskia triton)、NC_007936中國倉鼠(Cricetulus griseus)、NC_003041臺灣田鼠(Microtus kikuchii)、NC_001892胖睡鼠(Glis)、NC_ 005314非洲跳鼠(Jaculus)、NC_009056鱗尾松樹(Anomalurus)、NC_000884豚鼠(Cavia porcellus)和NC_002658蔗鼠(Thryonomys swinderianus)等18條全長 mtDNA序列中 D-loop序列進行分析。用DNAMAN5.5進行同源性分析;用 EMBOSS中compseq程序統(tǒng)計堿基含量和計算A和G偏離［16］;用MEGA 4.1統(tǒng)計物種間遺傳距離，并基于Kimura-Parameter雙參數(shù)模型，用UPGMA和最小進化法構(gòu)建分子系統(tǒng)進化樹［17］。

2 結(jié)果與分析

2.1 D-loop區(qū)序列組成

PCR產(chǎn)物電泳結(jié)果顯示，特異性擴增約1.5 kb的片段(圖1)。除去兩端不準確的部分，共測得長爪沙鼠mtDNA序列1 677 bp，其中包括D-Loop區(qū)全序列、tRNA-Phe、tRNA-Val、tRNA-Thr、tRNA-Pro基因部分序列。序列分析顯示，長爪沙鼠線粒體 D-loop區(qū)序列全長為997 bp(圖2)，堿基A、C、G、T的含量分別為32.1%、23.2%、12.9%、31.8%;A +T(63.9%)含量大于G+C(46.1%)含量。A-skew的范圍為0.15(松鼠)至-0.034(臺灣田鼠); G-skew的范圍為－0.17(豚鼠)至 －0.41(睡鼠)。長爪沙鼠的 A-skew和 G-skew分別為 0.0047和－0.28，A和G偏離明顯(圖3)。

2.2 長爪沙鼠D-loop區(qū)序列鑒定

長爪沙鼠與其他嚙齒動物的 D-loop序列進行同源性分析，結(jié)果顯示，家鼠(97%)、小家鼠(83%)和倉鼠(68%)動物均具有較高同源性，長爪沙鼠與上述三種動物的同源性為 58%。鑒于 D-loop是DNA中進化最快的部分，說明該序列為長爪沙鼠線粒體D-loop區(qū)(圖4)。

2.3 系統(tǒng)進化樹的建立及遺傳距離計算

圖2 長爪沙鼠D-loop區(qū)序列Fig.2 The complete sequence of D-loop region in Mongolian gerbil

基于D-loop區(qū)全序列，用鄰接法和最小進化法構(gòu)建相關(guān)動物系統(tǒng)進化樹得到基本一致的拓撲結(jié)構(gòu)(圖5，圖6)。結(jié)果顯示，進化樹主要有了兩個分支，A分支由家鼠、小家鼠、倉鼠、長爪沙鼠、蔗鼠和睡鼠構(gòu)成;在A分支內(nèi)，家鼠、小家鼠、倉鼠分別聚合后依次與長爪沙鼠、蔗鼠和跳鼠聚合。家鼠、小家鼠、西歐家鼠、日本小鼠和東歐家鼠集中在小家鼠分支上。緬鼠、帥家鼠、黑家鼠、達氏家鼠和褐家鼠集中在家鼠分支上。大倉鼠、中國倉鼠和臺灣田鼠集中在倉鼠分支上。B分支由松鼠、豚鼠和跳鼠聚合而成。結(jié)果說明嚙齒動物的線粒體控制區(qū)序列包含了重要的系統(tǒng)發(fā)育信息。枝長表示分歧度，枝上的數(shù)值為 1 000次重復抽樣檢驗得到的支持率。選擇家鼠、黑家鼠和中國倉鼠分別代表家鼠、小家鼠和倉鼠與長爪沙鼠計算遺傳距離。結(jié)果顯示(表1)，長爪沙鼠與黑家鼠遺傳距離最近為0.35;與家鼠遺傳距離為0.37;與中國倉鼠遺傳距離為0.39。結(jié)果表明長爪沙鼠與黑家鼠最近的親緣關(guān)系，與家鼠較近的親緣關(guān)系，與豚鼠親緣關(guān)系最遠為0.49。

圖4 長爪沙鼠與其他嚙齒類動物的同源性分析Fig.4 The homology analysis between Mongolian gerbil and other rodents

圖5 M-E法構(gòu)建的D-loop基因系統(tǒng)發(fā)生樹Fig.5 Phylogenetic tree based on D-loop region sequences generated by minimum-evolution methods.

圖6 UPGMA法構(gòu)建的D-loop基因系統(tǒng)發(fā)生樹Fig.6 Phylogenetic tree based on D-loop region sequences generated by UPGMA methods.

3 討論

3.1 長爪沙鼠D-loop區(qū)序列的測定和鑒定

mtDNA是閉合的雙鏈環(huán)狀DNA，D-loop區(qū)位于mtDNA復制起點(終點)前，在cyt B和12S基因之間。本研究根據(jù)已有的長爪沙鼠線粒體cyt B和12S基因序列分別設(shè)計上下游引物，并在線粒體基因組DNA中擴增出約1.5 kb的DNA片段(圖1)。經(jīng)過重復雙向測序，結(jié)果拼接后獲得長1 677 bp的DNA片段。序列中去除轉(zhuǎn)運RNA后獲得997 bp序列。為了鑒定該序列，本研究選擇18種不同的嚙齒類動物線粒體D-loop區(qū)序列進行同源性分析，結(jié)果顯示，長爪沙鼠與家鼠、小家鼠和倉鼠的平均同源性為58%。D-loop區(qū)是mtDNA中高度變異的非編碼區(qū)，進化速率是mtDNA其它區(qū)域的3～5倍［18］，據(jù)此，該序列為長爪沙鼠全長D-loop區(qū)序列。

3.2 長爪沙鼠D-loop區(qū)序列及進化分析

動物的起源進化長期以來一直困擾著遺傳學家。分子遺傳學方法為研究群體的起源和進化開辟了新的途徑［19］。mtDNA具有很多的特性，利用mtDNA序列構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)生數(shù)能很好的反映動物母系的遷徙和進化。mtDNA比核DNA的突變率高5～10倍，其中的 D-loop區(qū)是線粒體基因組進化速率最快的區(qū)域，進化速率是mtDNA其他區(qū)域的3～5倍［18］。許多科學家利用 mtDNA序列差異來研究動物的遺傳多樣性與起源演化。Giufra對歐洲野豬、歐洲家豬、亞洲野豬和中國梅山豬 mtDNA D-1oop區(qū)進行分析，發(fā)現(xiàn)家豬有歐洲野豬和亞洲野豬兩個母系起源并證實歐洲大白豬是亞洲豬和歐洲豬的雜交種，該結(jié)果與18～19世紀初亞洲豬被引入歐洲的歷史記載相符［20］。在近年來，動物 mtDNA研究取得了一系列令人矚目的成果。

不同物種的mtDNA堿基組成和特性存在明顯的差異［21］。DNA的鳥嘌呤和胞嘧啶的堿基含量(G +C含量)在不同物種的基因組中波動范圍廣闊［22，23］，甚至在同一物種的基因組不同區(qū)域也不相同。這種基因組局部堿基不均衡的現(xiàn)象表現(xiàn)為不同區(qū)域的核苷酸堿基組成存在差異［24］。長爪沙鼠 D-loop區(qū)序列A、C、G、T的含量分別為32.1%、23.2 %、12.9%、31.8%，其中G的含量顯著低于其他堿基的含量，這是mtDNA的一個顯著特征［25］;A+ T(63.9%)含量大于G+C(46.1%)含量，與其他哺乳動物 A、T含量高，G、C含量低的特點相似［26］。長爪沙鼠的 A-skew和 G-skew分別為0.0047和 －0.28(圖3)。與長爪沙鼠遺傳距離較近的動物在堿基組成和A和G偏離上較為接近，具有明顯的種屬特異性。

表1 長爪沙鼠與其他鼠類遺傳距離Tab.1 The genetic distance between Mongolian gerbil and other rodents

Chevret等曾利用DNA在溶解溫度的方法研究長爪沙鼠與家屬和小家鼠的進化關(guān)系，結(jié)果顯示長爪沙鼠與家屬和小家鼠存在較相近的進化關(guān)系［27］。Colangelo等利用 cyt B和16S rRNA序列研究非洲沙鼠的分子進化關(guān)系［28］;Chevret等利用 cyt B和12S rRNA基因序列研究沙鼠亞科內(nèi)分子進化關(guān)系［29］。本研究應用MEGA 4.1軟件，基于D-loop區(qū)全序列，用鄰接法和最小進化法構(gòu)建系統(tǒng)進化樹得到基本一致的拓撲結(jié)構(gòu)(圖5，6)，結(jié)果顯示，家鼠、小家鼠和倉鼠等動物均分別各自聚合到同一個分支上來，之后依次與長爪沙鼠、蔗鼠和睡鼠聚合在一起。結(jié)果表明，長爪沙鼠與家鼠、小家鼠和倉鼠有具有相近的親緣關(guān)系。遺傳距離計算結(jié)果驗證了進化分析結(jié)果，長爪沙鼠與褐家鼠最近的親緣關(guān)系，說明家鼠較近的親緣關(guān)系，與豚鼠親緣關(guān)系最遠。其分化順序為跳鼠、蔗鼠、長爪沙鼠、倉鼠、家鼠和小家鼠。以上數(shù)據(jù)根據(jù)動物單一個體的D-loop區(qū)序列計算得出，進一步研究應增加每種動物數(shù)量，并綜合線粒體基因組信息和考古學等其他數(shù)據(jù)綜合分析。

3.3 長爪沙鼠線粒體研究展望

線粒體是細胞的“能量工廠”，多數(shù)細胞內(nèi)90%的氧消耗在線粒體內(nèi)進行［30］。線粒體序列的測定將為分子進化、能量代謝及相關(guān)疾病研究奠定基礎(chǔ)。長爪沙鼠是一種正在廣泛應用的多功能實驗動物。特別是長爪沙鼠的脂質(zhì)代謝與其它實驗動物存在明顯差異，但是與人類又有很大的相似之處，是研究人類脂質(zhì)代謝良好的動物模型［7，8，12，13］。長爪沙鼠線粒體 D-loop區(qū)序列的測定和進化分析不但為長爪沙鼠進化研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且為獲得全長mtDNA序列奠定基礎(chǔ)，為長爪沙鼠線粒體的結(jié)構(gòu)和功能研究及廣泛應用提供保障。

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Determination and Analysis of Mitochondrial DNA D-Loop Region Complete Sequence of Mongolian Gerbil(Meriones unguiculatus)

LI Chang-long，LU Ling-qun，GUO Hong-gang，SA Xiao-ying
(Zhejiang Center of Laboratory Animals，Zhejiang Academy of Medical Sciences，Hangzhou 310013，China)

ObjectiveTo determine the complete sequence of mitochondrial D-loop region of Mongolian gerbil based on the PCR products.The sequences were analyzed for phylogenetic tree，nucleotide composition and genetic distance。MethodsThe primer was designed according to the published partial sequences.The PCR products were sequenced and determined.Combined with the known D-loop region sequence of other rodents，nucleotide composition and genetic distance were analysed，and the phylogenetic tree was constructed by minimum-evolution(ME)methods and UPGMA methods。ResultsThere was a high homology(58%)between the sequences of Mongolian Gerbil and that of rat，mouse and hamster.The nucleotide composition of Mongolian Gerbil was similar with that of other rodents.The A-skew and G-skew were 0.0047 and －0.28，respectively.The results of phylogenetic tree analysis showed a higher genetic relationship with rat(0.35)，mouse(0.38)and hamster(0.39).The order of differentiation was cane rat，desert jerboa，Mongolian gerbil，hamster，mouse and rat。Conclusions The mitochondrial D-loop region sequence of Mongolian gerbil has been determined.To our knowledge，it has not been reported in the literature before.In this study，the genetic relationship between Mongolian gerbil and other rodents has been analyzed.The results of this study may be of importance for studies on evolution，structure and function of the mitochondria in Mongolian gerbil.

Mongolian gerbil;D-loop region;Sequence determination;Phylogenetic analysis

R-33

A

1671-7856(2010)04-0040-06

2009-12-17

“十一五”科技支撐重點項目(2009BAI83B02);浙江省實驗動物與安全性研究重點實驗室(2008F3021)。

李長龍(1976－)，男，助理研究員，博士，研究方向:實驗動物遺傳學，E－mail:li-changlong@126.com。

薩曉嬰(1952－)，男，研究員，研究方向:實驗動物學，E-mail:saxiaoyin@163.com。