泛基因組由來

在漫長(zhǎng)的物種進(jìn)化過程中，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，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、開花時(shí)間、植物結(jié)構(gòu)、產(chǎn)量、籽粒或果實(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)物種來說，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)在非常熱門的作物類泛基因組（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參考基因組，亞洲和非洲人類基因組中有5 Mb的額外序列（Li R et al.,Nat. Biotechnol.2010）。這項(xiàng)人類全基因組研究表明人類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），這些都在人類泛基因組大小的三倍以內(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)問題的答案可以通過考慮產(chǎn)生物種多樣性的突變和群體遺傳過程來找到：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?；钴S的TEs也能調(diào)動(dòng)相鄰序列并產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變化。與其他類群雜交同樣可以增加新的類群；從自然遺傳變異的角度來看，這種基因遷移的效果類似于突變。另外，由于開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，通過構(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)化譜系為核心來開展研究。文中往往通過構(gòu)建大規(guī)模的群體基因組（De novo），著重關(guān)注具有某類特征的物種，來探索物種基因組結(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)化問題。

例如2021年Nature Genetics上發(fā)表的比目魚基因組研究，作者解析了鰈形目中9個(gè)科內(nèi)的11種比目魚基因組，通過基因樹與物種樹等研究揭示了鰈形目的鰈亞目和鰜亞目在白堊紀(jì)晚期，通過二次獨(dú)立的進(jìn)化事件由不同的鱸形目魚類祖先演變而來的演化歷程。并對(duì)兩種不同來源亞目的比目魚具有類似基因和信號(hào)通路形成獨(dú)特體軸的特性，進(jìn)行趨同進(jìn)化研究。該研究通過大量完整的基因組數(shù)據(jù)分析，為理解比目魚不同尋常的身體結(jié)構(gòu)的遺傳起源提供了寶貴的資源和見解。

圖1 比目魚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，高置信度的進(jìn)化樹進(jìn)一步確認(rèn)了叉角羚科與長(zhǎng)頸鹿科的姐妹類群關(guān)系，以及麝科與?？平忝妙惾宏P(guān)系等一直以來備受爭(zhēng)議的分類問題。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，為動(dòng)物譜系基因組打開了一個(gè)新的研究篇章。

圖2 反芻動(dòng)物系統(tǒng)發(fā)育樹

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。例如通過構(gòu)建硬蜱科內(nèi)6種蜱蟲基因組，解析不同蜱種的演化歷程，揭示了蜱專性吸血的遺傳機(jī)制以及蜱蟲遺傳多樣性及分布規(guī)律，并通過宏基因組學(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的泛基因組，除了人類之外，已經(jīng)對(duì)果蠅、小鼠、豬、雞和鮭魚等動(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參與脂肪大寫通路基因的序列在中國(guó)豬中高表達(dá)，說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，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)來自兩個(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)什么樣的分類水平?；诓煌纳飳W(xué)研究目的來選擇是做進(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）。