鱼类基因组研究综述(1)

本人一直在做水生动物和昆虫的基因组数据分析，最近有空总结了下鱼类基因组研究的内容，方法做了一点粗浅的总结，才疏学浅，请大家多多指教。

在这个文章中我主要写了，如下几点

Ø  鱼类的系统分类

Ø  鱼类基因组基本特点

Ø  鱼类免疫系统的基因组研究：鳕鱼，鲨鱼，大黄鱼

Ø  鱼类性别决定的基因组研究：半滑舌鳎，罗非鱼

Ø  鱼类体形发育的基因组学研究：海马，半滑舌鳎，腔棘鱼

Ø  如何迅速将一个鱼类变成模式生物：killfish

Ø  鱼类基因组基本研究方法和个人感想

鱼类系统发育

鱼类，是最古老的脊椎动物。它们几乎栖居于地球上所有的水生环境，从淡水的湖泊、河流到咸水的大海和大洋。鱼类是终年生活在水中，用鳃呼吸，用鳍辅助身体平衡与运动的变温脊椎动物。全球现生种鱼类共有24618种，占已命名脊椎动物一半以上，且新种鱼类不断被发现，平均每年以约150种计，十多年应已增加超过1500种，目前全球已命名的鱼种约在32100种。（来自百度）

既然这么多鱼类，要研究就必须做好分类。关于鱼类的系统进化关系，可以参考NCBI 的taxa 数据库，或者tree of life 数据库。这两个数据库主要是依据形态学分类。更新的分子分类数据当然要查看文献了。其中要属于“The Tree of Life and a New Classification of BonyFishes”这个文章研究的最全面，在这篇文章中作者对于1410个bony fish，选取了其21个marker ，其中包括线粒体上的一个基因和20个核基因；该研究将这些鱼类分成了1093个种，369个科。如下图所示，这是一个在目水平上的一个分类，要更详细的图当然要去原文下载高清的了。

Figure 1 .Bony fish系统发生关系；

鱼类基因组特点

鱼类基因组普遍在1G左右，个别目的鱼类如三文鱼，虹鳟因为多一轮的全基因复制加上重复序列的扩张在2-3G左右；详细情况可以参考下表：

Table 1已发表鱼类基因组的大小统计；

鱼类基因组最显著的改变是硬骨鱼中多一轮全基因组复制，但是鱼类的基因数目并没有明显的多，相对于大部分哺乳动物，鱼类也是2w多个基因，应该是多一轮的基因组复制的基因大都丢失掉了；但是在鲤鱼（common carp），鲑鱼中均有35000个基因；是因为近期的第四轮基因组复制时间（约100 million 年前）比较短这些基因还没丢失？或者因为自然选择的原因这些基因不能丢失？还需要深入研究。这莫非就是鲤鱼能肆虐五大湖，中国吃货蠢蠢欲动的基因组学解释？

大部分鱼类基因组重复序列在30%左右，如西洋鳕鱼25.4% ,三刺鱼25.2%，大黄鱼18.1%；一些基因组比较大的鱼类如斑马鱼，三文鱼重复序列就分别达到52%和60% ，这比较高了。鱼类基因组的杂合率都比较低，因为脊椎动物的种群数量和繁殖周期都不是那么短，而且大都是人工养殖的；已测序的鱼类中没有报道杂合率比较高的鱼类，我们见过最高的是大黄鱼的，达到了0.5%。

综上所述，根据鱼类基因组的特征，通过新一代测序技术还是比较容易得到一个draft genome的，个别重复序列很高的，可能要用到第三代测序技术了。

鱼类免疫系统 ：鳕鱼和鲨鱼

关于鱼类免疫系统的关注点有如下问题：

l  脊椎动物如人，老鼠中发现的基因鱼类中都存在吗？

l  它们有没有什么变化？如拷贝数差异，结构变异？

第一个问题主要在没有基因组技术以前，通过克隆一些序列或者从EST中获得，效率比较低，比较辛苦。下边这本书比较系统的总结了这些发现：

《The Evolution of theImmune System Conservation and Diversifiation》这本书系统的总结了动物中各种

Figure 2 IL-12 家族在不同倍数的全基因复制脊椎动物的拷贝数变异；

如上图实例，系统的分析了IL-12 家族在不同的全基因组复制时间后的基因拷贝数变化。

当有了基因组后，免疫基因可以通过生物信息的方法可以直接从基因组中获得。其中首先引起大家关注的是大西洋鳕鱼的基因组（http://www.nature.com/nature/journal/v477/n7363/full/nature10342.html）研究中首次发现，鳕鱼竟然丢失了MHCII 和CD4 序列，众所周知，这两个分子是和脊椎动物适应性免疫相关核心分子；同时还发现了MHCI基因的大量扩增。如下图所示。那MHCI的增多是不是可以弥补MHCII的丢失呢？MHCI 扩张 和MHCII孰先孰后？

2016年，在Nautregenetics（http://www.nature.com/ng/journal/v48/n10/full/ng.3645.html上，发表了通过对于65种鱼基因组测序研究，MHC2的丢失和MHC1的扩张，是鳕形目特异的，约在一亿年前就失去了免疫系统中MHC II，而后发展成鳕鱼种系。有趣的是，在少了 MHC II 这个基因之后，为了要补足缺少 MHC II 的功能缺陷，鳕鱼发展出的替代策略是大量的扩增MHC I；

Figure 3由此图可以看到通过7种脊椎动物（大部分是硬骨鱼的）比较发现在鳕鱼中MHC1发生了扩张。

其实相似的研究还在鲨鱼中使用（Elephantshark）中，如2014年，发表在nature上的象鲛组学研究中就对于重要免疫分子进行了调查，发现CD4 和IL 等很多相关分子竟然都没有。虽然鲨鱼没有这些重要的分子，但是鲨鱼依然能够很好的适应环境，说明鲨鱼的免疫系统有其自身特点，其免疫适应性方面机制不同。

在大黄鱼基因组中，我们也做了这个工作，通过大黄鱼基因组免疫基因的系统调查，我们发现最近（67 million前）才形成的属于硬骨鱼，鲈形目的鱼类，其免疫系统十分完善，仅仅丢失了TSLP和IL5，而且这些基因都有其它旁路可以代替；在这个过程中，我认为在技术上最重要的是要排除了基因组组装和注释的问题，毕竟只用NGS，弄出一个很高质量的基因组也不现实。而且由于免疫基因在序列层面的差异很大，如很多IL只有一个半胱氨酸是保守的。要注释需要用到一些特殊的软件，并结合转录组数据，共线性关系等。

Figure 4象鲛免疫基因调查；

Figure 5 大黄鱼基因组中免疫基因调查。

未完待续…

最后，祝大家工作好，身体好，学习好！