摘要
基因型与表型之间的相互作用关系一直是生物学领域的研究热点。虽然目前高质量的基因组数据大量出现，但是探究基因型与表型之间的相互作用关系仍然是一个巨大的挑战。进化分析被认为是研究基因型与表型相互作用关系的有力工具。因此基因型与表型之间可以通过进化分析方法相互预测。回声定位蝙蝠与其卓越的高频听觉能力是研究基因型与表型关系的一个理想模型。本论文的研究内容分为以下两个部分:一，通过蝙蝠回声定位进化历程中的关键基因去预测回声定位蝙蝠高频听力相关的新的适应性表型，进一步揭示回声定位蝙蝠的高频听力机制。二，通过回声定位哺乳动物去预测新的听力相关基因，进一步了解听觉功能的分子机制。 第一部分： 回声定位蝙蝠利用回声定位进行定位导航和捕食，这种特殊的感觉系统帮助蝙蝠占据了生存压力相对较小的夜空生态位，对于蝙蝠的生存和繁殖都非常重要。绝大多数的蝙蝠都具有回声定位能力，并进化出与之相应的卓越的高频听觉能力。虽然以往的研究发现回声定位蝙蝠为接收高频声波其耳蜗形态结构发生了许多适应性变化，但是我们对于回声定位蝙蝠听力表型的适应性改变仍然知之甚少。所以发现更多的回声定位蝙蝠听力表型的适应性变化对于理解其高频听力的机制具有十分重要的意义。但是哺乳动物听觉系统十分复杂，传统方法很难直接发现回声定位蝙蝠高频听力新的适应性表型。由于基因型与表型之间存在相互作用关系并且进化分析是探究基因型与表型之间关系的有力工具。因此，我们计划通过回声定位物种的进化基因组学分析，发现在回声定位蝙蝠高频听力进化历程中起到关键作用的基因，并依靠这些基因的已知功能去预测回声定位蝙蝠听力表型的适应性变化。为了获得在回声定位蝙蝠高频听力进化历程中起到关键作用的基因，我们选取15种哺乳动物的基因组数据进行分析，其中包括三种调频回声定位蝙蝠、一种恒频回声定位蝙蝠和四种回声定位齿鲸。最终我们找到26个在回声定位蝙蝠枝系与齿鲸枝系之间发生过两次趋同进化的基因。其中19个基因具有激进的氨基酸趋同替换位点。至此，我们发现了19个在回声定位蝙蝠高频听力进化历程中起到关键作用的基因，并准备以此来预测回声定位蝙蝠高频听力新的适应性表型。通过这19个基因已知的功能报道，我们预测回声定位蝙蝠为了适应高频听力其耳蜗血管纹的毛细血管的形态结构很可能发生了适应性变化。最后我们通过对比回声定位蝙蝠大足鼠耳蝠(Myotis pilosus)和不具备回声定位能力的小鼠的耳蜗血管纹的毛细血管的形态结构，发现大足鼠耳蝠血管纹中的毛细血管网络相较于小鼠更加稀疏，并且耳蜗底部血管纹中的毛细血管显著变粗，这可能与其卓越的高频听觉能力有关。综上所述，我们通过进化基因组学的方法发现了回声定位蝙蝠高频听力新的适应性表型，并成功预测出回声定位蝙蝠为适应高频声波耳蜗血管纹的形态改变。我们的研究丰富了回声定位蝙蝠的高频听力机制，为揭示复杂性状与基因型之间的相互作用关系提供了新的思路。 第二部分： 听力是一个十分复杂的生理过程，大量的基因参与其中。虽然目前已经发现超过900个与听力功能有关的基因，但是仍然有大量的听力基因没有被发现。迄今为止，听力基因的鉴定主要依靠两种方式:一种是基于人类遗传性耳聋患病家系，通过连锁分析等方法发现其致病基因。另一种是基于动物模型，特别是小鼠模型，利用自发突变或基因操作造成的耳聋小鼠去寻找听力基因。虽然这两种方法为听力基因的鉴定做出了巨大贡献，但是也有其不足。最主要的问题是这两种方法都依赖于已经存在的耳聋个体，只能被动的发现听力相关基因，无法主动的寻找听力相关基因。回声定位哺乳动物具有哺乳动物中最发达的听觉系统，我们也发现很多已知的听力相关基因都在回声定位物种中经历特殊的进化历程，如正选择，趋同进化或是与非回声定位物种相比较出现表达水平上的差异。因此我们认为可以通过回声定位哺乳动物进化基因组学去预测新的听力相关基因。为了验证我们的假设，我们从公共数据库下载15种哺乳动物的基因组数据，包括四种回声定位蝙蝠和四种回声定位齿鲸。我们最终获得437个在回声定位物种中受到正选择的基因和795个在回声定位物种之间经历趋同进化的基因。为了进一步丰富我们的数据，我们还收集了868个在回声定位蝙蝠耳蜗中高表达的基因。基于这些数据我们建立了一套有效的筛选流程最终获得79个候选听力基因。为了验证我们的候选基因是否与听力功能有关，我们选取其中三个基因Pcdh12、Slc6a4和Fap三个基因作为代表进行下游功能验证。结果表明，Pcdh12和Slc6a4基因敲除后，小鼠出现全频率的听力丧失，说明Pcdh12和Slc6a4确实与听力功能有关。Fap基因敲除小鼠没有任何听力异常，说明Fap与听力功能没有关系。综上所述，本研究发现了Pcdh12和Slc6a4两个新的听力相关基因，证明了利用回声定位哺乳动物预测听力相关基因的可行性。同时为研究特定表型的潜在分子机制提供了新的思路。
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