| 题名 | 灵长类甜味受体的进化研究 |
| 作者 | 鲍学群 |
| 学位类别 | 硕士 |
| 答辩日期 | 2012-05 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 施鹏 |
| 关键词 | 甜味受体 自然选择 适应性进化 协同进化 |
| 其他题名 | Evolution of sweet taste receptors in primates |
| 学位专业 | 遗传学 |
| 中文摘要 | 众所周知，甜味是一种人和大部分动物都喜欢的味觉。甜味在自然界中代表着糖类，糖类是生命活动必须的碳源和能量来源。人类以及其他动物进食决定都受到其影响。为了在迎合人类的口感，又控制热量摄入，对大量的零热量低热量代糖的开发应运而生。除了自然界中常见的蔗糖，果糖，葡萄糖之外，越来越多的自然来源或者是人工合成的甜味剂被发现并投入使用。这些甜味剂结构各异，来源不同。这些甜味物质是如何刺激味觉系统产生甜味信号并将这个信号传递给大脑的？围绕这两个问题，在甜味受体发现之前，研究者们致力于从结构已知的甜味剂的共有结构出发研究配体与受体的结合模型以及探索甜味信号在细胞内部和细胞间传导的过程。长久以来，人类一直想当然认为动物与我们的甜味味觉相同，即我们认为是甜味的物质对于其他动物来说也是甜的。但是逐渐地，人们开始注意到不同物种之间以及物种内群体间存在对甜味的感知能力的差异。对这个现象的深入思考推动了甜味受体的发现。在甜味受体发现后，对甜味的研究进入了一个新的阶段。基于甜味受体的序列的比较，通过构建嵌合体，同源模建技术结合点突变等方法在细胞实验的帮助下，人们对甜味受体与配体之间的结合模式有了新的认识。在基因组数据中发现甜味受体在哺乳动物中整体来看是保守的，但是在系统发育树上零散分布几个物种中显示甜味受体的Tas1r2基因发生了假基因化，解释了一些类群如猫科对甜味不敏感的现象。 灵长类作为和人类系统发育关系最近的类群，拥有十分完善的系统发育关系背景。而且在灵长类中表现出了行为学上对甜味感受的差异。这种差异将旧大陆猴和新大陆猴以及原始猴严格分开，Glaser和Nofre认为是旧大陆猴的共同祖先时发生了重要的变化，使得旧大陆猴在对甜味检测能力上脱离了“primitive grade”，进入了更高级的“simian grade”。我们通过补充公共数据库中欠缺的几个物种的甜味受体信息，以一个涵盖了灵长类系统发育树上所有代表性类群的数据集，首次揭示了甜味受体在灵长类整个类群中进化的总体概况。我们借助构建共同祖先的方法，从分别从整个灵长类的尺度展示了两个基因对应的氨基酸序列在物种树每个节点处的变化, 直观的看来，甜味受体在灵长类中的变化并没有明显的集中发生在特定枝。这暗示了甜味受体进化是一个复杂的过程。通过对选择压力的检测发现在灵长类中，甜味受体的两个亚基都受到强烈的纯净化选择作用。在两个亚基上每一枝的进化速度的变化存在差别：Tas1r2每一枝的进化速度差异不显著，但是Tas1r3每一枝的进化速度存在显著差异。我们对Tas1r2和Tas1r3两个基因进行位点模型的正选择估计，发现检测出的正选择位点（pr>0.5）集中分布在受体的功能区。通过比较氨基酸替代和同义替代的比率，发现Tas1r2在人群内部表现出了一定的适应性进化的信号（物种间的固定的氨基酸替换与同义替换之比大于物种内部氨基酸多态性与同义核苷酸替换之比），虽然不显著(p=0.16>0.05)；Tas1r3则没有。整合结合已有的行为学和细胞生物学实验结果和我们进化分析的获得的线索，在Tas1r2中，发现新大陆猴和原始猴对阿斯巴甜的不敏感的原因是不同的：新大陆猴是由于氨基酸的142位点发生了一个突变；原始猴没有这个功能的原因目前不明。进一步说明了Tas1r2在每一枝上存在特异性变化，Tas1r2展现出我们观察到的模式，并非一个简单的变化过程一步获得，而是在不同的枝上发生了增强或者是减弱甜味检测能力的氨基酸替换。Tas1r3上则是另一种情况，发现旧大陆猴在与新大陆猴分蘖时，通过氨基酸537位点的变化进化出了对甜蛋白brazzein的检测能力，并且在这段时间内通过在氨基酸540位置的变化对这个能力进行了加强。在大猩猩枝上有一个回复突变，会造成大猩猩对甜蛋白brazzein的甜味感知能力的独立的丧失。在这两种结构不同的甜味剂的检测能力的进化中，已经暗示了2个总体规律：1. 总体说来，灵长类进化过程中，对甜味的检测能力是通过一种极其复杂的进化模式逐步增强的，这与旧大陆猴的嗅觉能力的变化是相反的；2. 甜味受体内部两个亚基Tas1r2,Tas1r3之间存在进化的不平衡。根据协同进化位点的情况，我们认为在甜味受体进化的过程中不仅仅受到了来自配体专一化的选择作用，也有氨基酸位点变化之间的交互约束的作用。最后我们构建了五种代表性的物种的甜味受体基因的表达载体，为功能上对系统的研究灵长类甜味受体的进化提供了可能性。 关键词：甜味受体，自然选择，适应性进化，协同进化 |
| 英文摘要 | Sugar is attractive to human and almost all other animals. In nature, Sweet indicates sugar, the one of essential nutrients and the source of energy. It influences the choice of what to eat. To meet the demand of good taste with low-calorie addition, various sweeteners with diversity in both structure and resource are developed and applied in food industries. How do they inspire sweet sensory and how sweet signal is transducted to brain? To solve these problems, far before the discovery of sweet receptor genes, effords were made to build binding model for sweeteners and receptors via the shared structure of known sweet substance, as well as to uncover the signal pathway in cell and between neurons. Human beings are so arrogant that we took the idea all animals were supposed to share our sensation for granted for a very long time. fortunately，people noticed the differences of sweet perception between species gradually. The whole picture of how sweet taste sensation works and evolves is still obsure. The discovery of sweet taste receptor provides a new angle to this problem. Althought sweet taste receptor is conserve in mammal, several spiecse over the phylogenetic tree abtain sweet receptor genes pseudogenized. That might explain why animals like cat cannot detect sweet taste. Primates, animals most closed to human and well studied phylogeneticly, shows differences in sweet perception. It is found that, not like old world monkey, new world monkeys and prosimians cannot detect sweet proteins and artificial sweeteners. Glaser and Norfre regarded that it was a main change happened at the divergent node for old world monkey, to prepare them have a higher sweet taste grade “simian grade”,departuring from ancestory “primitive grade” . We report an overall pattren of the evolution of sweet receptor in primates for the first time by construct common ancestors’ sequences. We find no gather of changes on any branch. It might refer an unexpected complexity existing in the evolution process. Both of Tas1r2 and Tas1r3 are suffered purifying selection, but in different ways. The difference of amino acid substitutions on every branch shows significance in Tas1r3, not in Tas1r2. Positive selection sites (pr > 0.5) are found distributing in binding region. It consists with previous study in other GPCR genes. Then we map the proved functional sites to the phylogenetic tree and find out there are different reason for Aspartame nontasters in primates and a relatively cleared process of evolution is shown in Tas1r3. To sum up, we find out two regular patterns. The one is the ability of detection sweeteners are strengthened via an extremly complicated way. The other is the evolution of Tas1r2 and Tas1r3 is imbanlanced. Co-evolution sites within and between Tas1r2 and Tas1r3 are scaned to provide additional reason for the different evolution details between these two genes. Finally, we construct sweet taste receptor gene expression vectors in five primates; enable the colletction of response data of primate sweet receptors to sweeteners on cell level. Key words: sweet receptor, natural selection, adaptive evolution, coevolution |
| 公开日期 | 2012-09-25 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://159.226.149.42:8088/handle/152453/7119]  |
| 专题 | 昆明动物研究所_进化与功能基因组学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 鲍学群. 灵长类甜味受体的进化研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2012. |
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