长寿小型哺乳动物GHR-和-IGF1R的分子进化

Highlights

• 蝙蝠和非洲鼹鼠的与相同体型的哺乳动物相比，它们的寿命较长。
• 26种蝙蝠和5种鼹鼠的GHR和IGF1R序列分析。
• 基因的跨膜结构域中发现了独特的氨基酸替换。
• 基于密码子的选择分析发现这两种基因都受到纯化选择。
• GHR中的几个位点有可能在这两组动物中出现了趋同进化。

Introduction

• 衰老和长寿的遗传基础是非常令人感兴趣的方向。这个领域通常包含两个主流方向：⑴操纵模型生物体中的特定基因，从而延长寿命；⑵试图找出导致自然种群寿命延长的基因突变。

• 先前提出的解释蝙蝠长寿的假说包括几个与冬眠有关的假说，如新陈代谢的改变和食肉动物回避的增加。然而，仅仅冬眠并不能解释蝙蝠寿命的增加，因为并不是所有蝙蝠冬眠和冬眠通常都会增加哺乳动物的存活率。另一方面，飞行能力在某一方面促进了其寿命延长。

• 与这两种激素及其相关受体相关的基因突变与几种临床疾病有关，包括人类的侏儒症和小鼠的长期矮化表型。

• 目前尚不清楚其他来自其他亚目(翼翅目)的长寿命小体形蝙蝠物种是否有这些突变。除了蝙蝠，非洲鼹鼠也被证明具有较长的寿命。

• 为了进一步了解这两种受体在蝙蝠和鼹鼠寿命和体型的遗传控制方面的分子进化，本文与其他哺乳动通过比较基因组学的方法，对每种动物的序列数据进行了系统发育分析。

Materials and methods

• 调查了75种哺乳动物(包括26只蝙蝠和5只鼹鼠)的GHR和IGF1R核苷酸序列，分别获得了64和49条GHR和IGF1R蛋白编码序列。这些序列主要通过已公布的基因组和转录组数据获取。

• 通过Blast方法，分别以人，小蝙蝠，裸鼹鼠的序列作为query获取近缘物种的直系同源基因（e-value 1e−6），然后用BL2SEQ调取直系同源基因。再通过PRANK。

• 通过RAxML重构系统发育。

• 跨膜区氨基酸变异的检测。

• 通过CladeC模型检测分化选择。蝙蝠或鼹鼠clade被设置为前景枝，然后将估计的平均ω与Laurasiatheria和Euarchontoglires组成的背景枝的平均ω值进行比较。利用上述方法，对每个基因的排列进行重新计算，每次只包含一组感兴趣的分类群，即当蝙蝠被设定为感兴趣的前景群时，将鼹鼠从背景数据集中移除，反之亦然。此外，我们还使用枝位点模型检验三个祖先分支的正选择证据：共同祖先蝙蝠枝，共同祖先鼹鼠分支，Vespertilionidae + Molossidae 的祖先枝。

• 在Dayhoff氨基酸模型下，利用Codeml估算氨基酸替换的分支长度和模型参数，并将这些值应用于codeml祖先，在Dayhoff替换模型下，估计了所有可能的氨基酸替换，趋同替换(相同氨基酸)和趋异替换的后验概率。

Results

1. GHR和IGF1R系统发育信号综述

对这些核苷酸序列的系统发育分析正确地还原了大多数已被接受的物种关系和主要哺乳动物亚类。在整个类群中，灵长类的分支长度通常是最短的，对应于最低的替换率，而啮齿动物和滑翔动物的分支长度通常是最长的，对应于更多的替换。

2. 跨膜区氨基酸变异的检测

对与GHR和IGF1R跨膜结构域对应的氨基酸的检测表明，在哺乳动物中几乎没有氨基酸残基是完全保守的。但是在蝙蝠中，GHR的跨膜区在观察到的六种翼翅类中几乎没有变化。

GHR系统发育与结构分析

对啮齿动物GHR跨膜结构域序列的研究表明，相对较短寿命的类鼠与寿命更长的超窄形鼹鼠之间几乎没有一致的变化。在所有鼹鼠中，只有一个氨基酸替代物在所有鼹鼠中被共享，而豚鼠和其他啮齿动物除外。

啮齿类GHR

总的来说，包括大多数蝙蝠在内的所有哺乳动物IGF1R跨膜结构域的氨基酸序列都比GHR更保守。一些IGF1R序列变异出现在非洲兽动物中，在寿命和体重上也表现出很大的差异，与其他物种相比，金色鼹鼠跨膜结构域显示出相当大的序列变异。

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GHR及IGF1R选择压力分析

• 为GHR构建的分子进化的CladeC模型显示，与食肉动物、有蹄类动物、其他啮齿动物和灵长类相比，蝙蝠和鼹鼠发生了显著地分化选择。然而，他们均是受到了纯化选择压力(蝙蝠：FGω=0.289；BGω=0.403；鼹鼠：FGω=0.489；BGω=0.320)。 IGF1R也同样揭示了类似情况(bats: FGω =0.219; BGω = 0.123; mole-rats: FGω = 0.102; BGω = 0.196).
• Branch-site没有检测到任何显著地正选择信号。

趋同进化

在分枝比较的基础上，利用物种树拓扑结构对这两个基因进行了趋同和平行性的氨基酸替换试验。在所有胎盘哺乳动物比较中，总收敛性(即收敛性和平行性)的求和后验概率(Pp)与所有胎盘哺乳动物不同的后验求和概率(不包括与末端分支的任何比较)的图显示，每个基因上的大多数替换是发散的。

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Conclusions

尽管本研究所采集的哺乳动物的寿命和体型都有很大的变化，但在体型较小、寿命较长的蝙蝠和鼹鼠中，GHR和IGF1R均处于净化选择之中。然而，我们确实检测到了几个在蝙蝠GHR跨膜区特定家族氨基酸替换的例子，这表明该基因可能在生物学的某些方面发挥作用。与寿命较短的啮齿动物相比，长寿命鼹鼠的GHR和IGF1R两个跨膜结构域中观察到的氨基酸差异很小。此外，鉴于蝙蝠的ghr和IGF1R氨基酸序列与其他哺乳动物相比没有一致的变化，而且大多数差异似乎出现在蝙蝠家族之间，那么这两种激素受体的分子进化是否是蝙蝠长寿的主要驱动力似乎是也是值得怀疑的。因此证据表明，GHR和IGF1R的序列变异对蝙蝠或鼹鼠的体型小和寿命并不能起到关键作用。

参考文献

1. Davies K T J, Tsagkogeorga G, Bennett N C, et al. Molecular evolution of growth hormone and insulin-like growth factor 1 receptors in long-lived, small-bodied mammals[J]. Gene, 2014, 549(2): 228-236.