【中英文题目】
英国胡椒蛾的工业黑化突变是由转座因子所致
The industrial melanism mutation in British peppered moths is a transposable element
【基本信息】
期刊：NATURE
IF：38.138
年份：2016
【摘要】
燃料对环境造成的改变导致的突变仍然是生物进化的主要挑战，最显著的例子就是英国胡椒蛾Biston betularia（桦尺蠖），由于工业革命期间鸟类捕食以及煤炭污染的影响，以前普遍的浅色品种(pale typica)被黑化型品种(carbonaria typica)所代替。Carbonaria的基因被定位于200kb的范围内，但是，控制carbonaria typica的基因多态性与一致性依然未知。本研究表明导致英国工业黑化现象的突变主要是在皮质层基因的第一个内含子内的基因插入、串联重复以及转座因子。对黑化型单体重组的统计学推论表明转座事件大概发生在1819年，此推论与历史记载相一致。对在早期翅芽发展阶段的carbonaria转座因子的模式进行分析发现皮质层转录表达提高，控制细胞周期调控的蛋白产量也相应增加。本研究填补了自然选择下的种内进化的变化机制的空白，并对其适应机制有了更深入的了解，此外，对转座因子的了解有利于对主要表型的“跳跃基因”进行近一步研究。
【研究思路】
取材：
研究样本取自来自英国北部威尔士的carbonaria（黑化型胡椒蛾）以及insularia（黑化型胡椒蛾的另外一种突变体）
文库构建以及测序策略：
利用B. betularia基因、B. mori nscaf2829 (SilkDB)同源基因以及BAC-end末端序列构建扩展的BAC参考基因文库，通过Roche 454 GS FLX Titanium测序得到3-kb mate-pair文库；通过Pacific Biosystems RS II构建fosmid文库
信息分析：
【研究结果】
1、黑化型突变体候选基因的位置与结构分析
之前已经有研究将胡椒蛾黑化型基因定位在400-kb的范围之内，其中含有13个基因和2个microRNAs，但是没有一个是参与黑化型或翅膀发育过程的，因此，本研究扩大了关联分析的样本量并使用间隔更小的遗传标记，将参与黑化型的候选基因范围缩小到100kb（图1a）。B. betularia的皮质层由8个次要外显子、两个首要外显子（1A 和1B，在翅膀发育过程中首要表达）以及一个较大的内含子（图1b）。图1c中，carbonaria插入序列由21,925个核苷酸构成，包括大概9-kb的非重复序列。研究者认为，黑化型变异的关键是该内含子的插入缺失。
图1 黑化型突变体候选基因的位置与结构 a. 大约400-kb的候选基因区域（分别以标记基因b和d为界线）展现出基因含量、基因型位置（灰色条形上的垂直线）以及每个基因的内含子外显子的结构与位置；b. 对候选基因区域的重定义，灰色条形上的垂直线表示候选基因多态性，图中可以看出carbonaria（黑色）和typica（斑点）的皮质层内含子与外显子的结构，不难发现，在第一个内含子内有大约22kb的插入缺失（橙色）；c. 反映出候选基因区域内carbonaria–typica的多态性以及carbonaria序列中插入部分的结构，黑色核苷酸表示靶位点重复序列，红色核苷酸表示反向重复序列。Typica单体型缺失了4碱基的靶位点序列、反向重复序列以及核心插入序列。转座子包含了3个重复单元，每个重复单元又包含了3个短串联重复单元（绿点，SRU1–SRU9）
2、黑化型突变体的重组形式以及发生的时间
为了了解黑化型突变体的重组模式，研究者对黑化型和非黑化型的基因型进行分析，图2a表明50%的黑化型(carb-TE)突变体保留了祖先黑化型单倍体的特征，图2b反映出由于遗传距离增加而导致的连锁不平衡下降可能是由于基因的选择性清除造成的。研究者还对黑化型突变发生的时间进行推测，图2d反映的是carb-TE突变体发生的时间的概率密度曲线，在1819年出现极大值，这与1848的记载是一致的。
图2 carb-TE突变的重组模式及变化 a. 黑化型(carb-TE (橙色)) 与非黑化型(typica and insularia (浅灰色))单倍体的最近重组，深灰色区域为重组频繁发生的区域；b. 黑化型和非黑化型单倍体在相同序列窗口的多基因连锁不平衡(rd)灰色区域为99%置信区间，红线表示根据模拟在极端假设下的上限，假设所有定义黑化型单倍体的等位基因都是相对独立的；c. 黑化型单倍体（黑色）基因渗入到非黑化型单倍体（灰色），红线表示基于模拟的期望值；d. 根据重组模式推测carb-TE突变体发生时间的概率密度，虚线表示1819年概率密度最大，1848年（点划线）进行首次记载。
3、B. betularia发育中的翅膀的皮质层的相对表达
Biston皮质层含有许多剪接异构体，本研究将注意力集中在以外显子1A和1B起始转录的群体，图3a中在第六幼虫龄期(La6) 和4天的前蛹期(Cr4)之间，所有异构体的累计表达逐渐增加，与翅膀的形态发生阶段相一致（图3b），之后在6天的前蛹期(Cr6)又到达较低的水平。为了排除可能不存在作用的异构体的影响，研究者只将研究目标锁定在以1A和1B起始转录的群体。1B起始转录的结果显示拥有不同遗传背景的几个家族(c/c > c/t > t/t)拥有相对一致的表达趋势，不同基因型之间的表达差异显著（特别是Cr4时期），而以1A起始转录的结果中，不同基因型之间并没有表现出很大的差异。
图3 B. betularia发育中的翅膀的皮质层的相对表达 a. 翅芽在不同发育阶段的表达（La6, 六龄幼虫; Cr2, 两天的爬虫; Pu2, 两天的蛹; PDP, 滞育后的蛹）；b. B. betularia不同发育阶段的前翅图像；c.d. 由黑化型基因型c/t × c/t杂交得到的后代含有三种基因型(c/c, c/t和t/t)，图3c和3d分别表示其前翅在不同发育阶段的皮质层1B (c) 和1A (d)的相对表达，1B转录本的基因型差异显著，而1A转录本的差异并不显著。
【研究结论】
1、 长期以来，由于不精确剪切导致转座因子对表型的影响一直都被忽略，本研究通过英国胡椒蛾工业黑化现象，表明导致其突变的因素主要是在皮质层基因的第一个内含子内的基因插入、串联重复以及转座因子。
2、 此外，对黑化型单体重组的统计学推论表明转座事件大概发生在1819年，此推论与历史记载相一致。
3、 对在早期翅芽发展阶段的carbonaria转座因子的模式进行分析发现皮质层转录表达提高，控制细胞周期调控的蛋白产量也相应增加。研究者认为，黑化型突变体的发生可能是通过改变鳞细胞时性发育从而增加了皮质层丰度。
4、 本研究填补了自然选择下的种内进化的变化机制的空白，并对其适应机制有了更深入的了解，此外，对转座因子的了解有利于对主要表型的“跳跃基因”进行近一步研究。
【所用软件及数据库】
Newbler：是罗氏454开发的针对454测序数据进行组装的软件，不同于Illumina测序的fastq格式，454下机数据是sff格式，无法查看，可以用sffinfo进行转换。
HGAP：分层基因组组装过程，是PacBio官方的组装pipeline。
SHAPEIT：是专门用于对推断基因组单体型的软件，由牛津大学的团队所开发，并且一直应用与千人基因组计划中。