绵羊Hoxc8与d11基因甲基化的量子力学特征与功能

2024-07-29 作者:

中国草食动物　２０１１年　及揭示生命的遗传现象，需要量子力学的波粒特性　３。　Ｄｅｌｂ￣ｃｋ研究了基因与突变的关系，发现量子力学理论　０　。＝０　ｌ　一项　与遗传突变学说之间有密切的相似性　］。Ｓｃｈｒ６ｄｉｎｇｅｒ根　据量子力学理论和遗传学研究成果，提出用“量子跃迁”　来解释基因突变以及遗传性状以“密码”形式通过染色　日　＝　不相邻原子均为０　体而传递等现象　。这些论断已被华生和克里克提出的　ＤＮＡ双螺旋结构模型和遗传密码所证实。ＤＮＡ分子中的　胞嘧啶的甲基化所隐藏的信息，同样可以利用分子轨道　理论和量子力学方法解释。因此，本研究以蒙古羊、德国　美利奴羊、陶赛特羊、澳洲美利奴（澳美）羊为实验对象，　研究了它们的Ｈｏｘｃ８与　基因的甲基化及其量子力　学特征。　１材料与方法　在２００７－－２０１０年间，在内蒙古锡林郭勒盟的东乌珠　穆沁旗、正蓝旗分别采集２００只成年蒙古羊（种公羊２０　只，种母羊１８０只）及其后代血样。在正蓝旗采集１００只　德国美利奴羊、陶赛特羊、澳美羊等种公羊、种母羊及其　羔羊的血样，ＡＣＤ抗凝，液氮冻存。羔羊在５－６月龄屠　宰，并确认脊椎数。用基因组ＤＮＡ提取试剂盒　（Ｐｒｏｍｅｇａ，Ａ１１２０）提取绵羊基因组ＤＮＡ。按照课题组前　期实验结　６－ｓ］和ＮＣＢＩ的ＧｅｎＢａｎｋ的相应基因序列设　计ＰＣＲ引物，扩增目标序列。测序后，与已知物种序列比　对，分析目标基因及其外显子ｅｘｏｎ）和内含子（ｉｎｔｒｏｎ）的　ＣｐＧ的数量、位置、密度等。设计针对亚硫酸氢盐处理后　序列的ＰＣＲ引物以及专门的ＰＣＲ扩增条件。用亚硫酸　氢盐转化试剂盒（ＥｐｉＴｅｃｔ　Ｂｉｓｕｌｆｉｔｅ　Ｋｉｔ，５９１０４）对目标序　列进行亚硫酸氢盐处理并克隆测序，确定甲基化胞嘧啶　（５－ｃ）的位置和数量。　胞嘧啶（Ｃ）和甲基化胞嘧啶（５ｍＣ）的量子力学特征　分析主要利用薛定谔（Ｓｃｈｒ￣ｄｉｎｇｅｒ）波动方程、Ｐａｕｌｉｎｇ　的杂化轨道和共振理论及其相关的计算方法和结果。　ＨＭＯ法是Ｈｆｉｃｋｅｌ根据经验提出的处理仃电子体系的　近似方法，主要用于仃电子体系，例如嘌呤和嘧啶。根　据分子内的共轭原子的电子轨道线性组合假设，建立　Ｈａｃｋｅｌ矩阵，用迭代法计算矩阵方程的特征值和特征　向量。再按照理论指数计算公式，得到胞嘧啶的相应理　论参数　９－１ｏ３ｏ　Ｈｎｃｋｅｌ矩阵　：　日¨　ｌ２　…　日Ｊ　Ｈｎ　Ｈ　…Ｈ　Ｈ＝　Ｈ　Ｈ．１２　Ｈ　矩阵的各个元素分别为：　相邻原子　老　ｊ一…管　｝…颥　…　其中，ａ　：ｆ　为第　个原子的Ｃｏｕｌｏｍｂ积分，　取碳原子ｃ的　＝０，岛＝』　为第ｉ个原子和第Ｊ＝　个原子的共振积分。在ＨＭＯ理论中，令不相邻原子之间　的共振积分为零。　为第　个杂原子的Ｃｏｕｌｏｍｂ积分经　验参数，　是第　和第．　原子之间的共振积分经验参数。　胞嘧啶分子的ｓｅｃｕｌａｒ行列式为：　　ｌ＋１　９　０　０　０　０．９　０　０　Ｉ１　０．９　１　０　０　０　０　２　Ｉ１　０　１　ｘ＋０．４　１　０　０　０　０　Ｉｆ　０　０　１　ｌ　０　０．９　０　１　Ｉ０　０　０　１　１　０　０　１　Ｉ０．９　０　０　０　１　Ｏ　０　ＩＪ　０　０　０　０．９　０　０　ｘ＋ｌ　０　１　０　２　０　０　０　０　０　ｘ＋１．２　相应的ｓｅｃｕｌａｒ方程为：　｛ｃ　Ｊ（　＋１）＋０．９ｃ２＋０．９￣６＝０　　ｆ０．９ｃ，＋ｃ　＋ｃ　＋２ｃｓ＝０　ｆ　Ｃ＂２＋ｃ，（　＋Ｏ．４）＋ｃ　：Ｏ　｝ｃ　ｃ　托　０．９ｃ７＝０　ｆ　ｃ４＋ｃ５ｘ＋ｃ６＝０　ｌ　０．９ｃ　Ｊ＋ｃ　ｃ　＝０　ｌ１　０．９ｃ４＋ｃ７（　＋１）＝０　　ｌ【２ｃ２＋ｃ８（　＋１．２）：０　胞嘧啶分子的特征方程：　日Ｃ＝ＣＡ　其中，Ｃ是特征向量（波函数）矩阵，每列代表由原子　轨道组成的分子轨道分量，　＝∑　。Ａ是特征值Ａ　的　对角阵，Ａ　为分子轨道能级。　２结果与讨论　２．１胞嘧啶分子的杂化轨道及其量子特征　国内外的许　多研究表明，胞嘧啶第２位的Ｃ＝０（　。杂化轨道，ｒｏ＋仃　键）的解离能为６．３０　ｅＶ或６０８　ＫＪ／ｍｏｌ，第４位的Ｃ—Ｎ（ｓｐ　杂化轨道，盯键）的解离能为３．０３　ｅＶ或２９２　ＫＪｌｍｏｌ，第５　位Ｃ—Ｃ（ｓｐ３杂化轨道，ｏｒ键）的解离能为２．５５　ｅＶ或　●Ｉ　中国草食动物　２０１１年　位于密码第１￣２位的ＣｐＧ共８个，全部编码精氨酸。位　于密码的第２　３位的ＣｐＧ共４７个，３～１位的密码子占　６５个。Ｅｘｏｎ一２序列中Ｃ＋Ｇ＝４７．０３％，低于Ａ＋Ｔ的含量　５２．９７％，只有１２个ＣｐＧ，而且分布分散，所以，本文重点　讨论Ｈｏｘｃ８和Ｈｏｘｄｌ１　ｅｘｏｎ—ｌ序列及其ＣｐＧ。　德国肉用美利奴羊、陶赛特羊、澳美羊等国外绵羊品　种的Ｈｏｘｃ８和Ｈｏｘｄｌ１的两个外显子序列都相同，但是，　在这两个外显子之间的内含子序列中，有数个碱基的差　异。这个差异应该属于遗传多样性，或者中性突变，对基　因的表达没有影响。　蒙古羊与德国肉用美利奴羊，陶赛特羊正反交结果　表明，蒙古羊的多脊椎特征可以按照表观遗传方式，遗　传给杂交后代（５％～１０％）。但是，杂交后代的尾形介于两　个亲本之间，即蒙古羊的脂尾和国外品种的细长尾属于　等显性。　２．４蒙古羊Ｈｏｘｃ８的甲基化特征研究表明，蒙古羊的　ｔｔｏｘｃ８　ｅｘｏｎ一１中的５ｍｃ的数量（或比例）和位置，与胸椎　数是１３，还是１４枚有关。１４胸椎蒙古羊和１３胸椎蒙古　羊的Ｈｏｘｃ８　ｅｘｏｎ—ｌ中的甲基化比例分别为（６．２６ｉ－４．００）％，　（０．５４￣０．５０）％（尸＝０．０１７＜０．０５）［６］。在甲基化位置上，也　有明显差异，ｌ４胸椎蒙古羊的甲基化位点密集（都含有　一段连续６个甲基化胞嘧啶的区域）。相比之下，１３个胸　椎蒙古羊的相同序列区间内的甲基化位点分散，不存在　甲基化密集区，甲基化胞嘧啶在密码中的位置没有规　律。所以，甲基化的比例是个定性的，总体的差异，而甲　基化的分布密度，甲基化胞嘧啶在密码内的位置，是导　致表观遗传效应的关键因素。　这些测定结果表明，在功能基因序列中，单个的和分　散的甲基化胞嘧啶虽然在量子力学参数方面有一定的　变化，但是还不足以导致可观察到的表型差异。因此，不　能简单地根据甲基化胞嘧啶的数量来推断其功能意义。　相反，功能基因序列中存在的多个且集中的甲基化胞嘧　啶，特别是在遗传密码第２位胞嘧啶的甲基化，其密集分　布所产生的量子力学效应的叠加，才能产生可以观察到　的表观遗传效应。所以，胞嘧啶甲基化具有量化的累积　效应，而不是简单的定性效应。　蒙古羊Ｈｏｘｃ８　ｅｘｏｎ一１的甲基化具有明显的基因组　印记或表观遗传特征。已经得到的测定结果证实，蒙古　羊每个个体的Ｈｏｘｃ８　ｅｘＤｎ—ｌ中甲基化数量、位置是不固　定的，有的多，有的少。这是明显的表观遗传特征，即基　因中的目标序列的甲基化程度，与这个序列来自父本或　母本有关。对于蒙古羊来说，ｌ４枚胸椎个体的父本序列　甲基化程度高，母本的甲基化程度低。相比之下，蒙古羊　中的１３枚胸椎个体，其父本和母本的相应序列的甲基化　程度都低。所以，通过测定活体羊的Ｈｏｘｃ８　ｅｘｏｎ一１甲基　化数量或比例，容易识别这只羊是ｌ３还是ｌ４枚胸椎，从　而达到早期选种的目的。　３结论　虽然目前的量子力学方法还不能满足ＤＮＡ／ＲＮＡ核　苷酸或者碱基的结构与功能分析的需要，也不可能替代　实验室的仪器分析，但是，结合分子遗传实验结果，基本　上能够肯定，基因的信息就是碱基和密码的电子信息和　能量信息，而且能够进行量子化的定量描述。这些信息　的波粒特征和能量特征，具有稳定性和传递性，特异性　和相干性，具备了遗传信息应具备的所有条件。遗传学　从Ｍｅｎｄｅｌ的家系水平的性状的经典遗传学，经过Ｍ—　ｇａｎ时代的染色体水平的细胞遗传学，到Ｗａｔｓｏｎ—Ｃｒｉｃｋ　为代表的分子遗传学，一直发展到目前日渐端倪的量子　遗传学，预示着遗传学的发展趋势和方向。量子力学理　论与方法有助于表观遗传机制的理解，也有助于解释基　因序列甲基化的功能。　参考文献　［１］Ａｌｌｉｓ　Ｃ　Ｄ，Ｊｅｕｗｅｉｎ　Ｔ，Ｒｅｉｎｂｅｒｇ　Ｄ．Ｅｐｉｇｅｎｅｔｉｃｓ［Ｍ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ｃｏｌｄ　Ｓｐｒｉｎｇ　Ｈａｒｂｏｒ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　Ｐｒｅｓｓ，２００７．　［２］Ｍｔｌｌｌｅｒ　Ｈ　．Ａｒｔｉｉｆｃｉａｌ　ｔｒａｎｓｍｕｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，　１９２７，６６：８４—８７．　［３］Ｂｏｈｒ　Ｎ．Ｌｉｇｈｔ　ａｎｄ　ｌｉｆｅ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，１９３３，１３１：４２１－４２３．　［４］Ｔｉｍｏｆｅｅｆ　Ｎ　Ｗ，Ｚｉｍｍｅｒ　Ｋ　Ｇ，Ｄｅｌｂｒａｃｋ　Ｍ．ｉＬｂｅｒ　ｄｉｅ　Ｎａｔｕｒ　ｄｅｒ　Ｇｉｅｎｍｕｔａｔ—　ｉｏｎ　ｕｎｄｅｒ　Ｇｅｎｋｏｓｔｒｕｋｔｕｒ田．Ｎａｃｈｒ　Ｂｉｏｌ　Ｇｅｓ　Ｗｉｓｓ　Ｇｅｔｔｉｎｇｅｎｌ，　１９３５，１：１８９．　［５］Ｓｃｈｒｉｆ　ｄｉｎｇｅｒ　Ｅ．Ｗｈａｔ　ｉｓ　ｌｉｆｅ［Ｍ］．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，　ｌ９４４．　［６］陈琦，赵静，张立岭，等．多脊椎蒙古羊Ｈｏｘｃ８　ｅｘｏｎ一１甲基化分析　［Ｊ］．中国畜牧杂志，２００９，４５（２３）：１０－１３．　［７］赵静，张立岭，陈琦，等．蒙古羊Ｈｏｘｃ８基因甲基化与胸椎数量的关　系［Ｊ］．黑龙江畜牧兽医，２０１０（７）：５－８．　［８］赵静，张立岭，巴图．蒙古羊Ｈｏｘｄｌ１基因ＣｐＧ位点分布特征分析　［Ｊ］．中国草食动物，２０１０，３０（５）：９－ｌ１．　［９］谭载友．胞嘧啶甲基化的量子化学研究［Ｊ］．广东医药学院学报，　１９８７，３（Ｉ）：１６—１８．　［１Ｏ］Ｐｕｌｌｍａｎ　Ｂ，Ｐｕｌｌｍａｎ　Ａ．ＱｕａｆＩｔｕｍ　ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ［Ｍ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ｗｉｌｅｙ　［ｎｔｅｒｓｃｌｅｎｃｅ　Ｐｕｂｈｓｈｅｒｓ，ＮＹ，１９６３．　ｆ１】）　次全｜量子生物学及其应用［Ｍ）．北京　高等教育出版挂，１９９０．　［ｘ２］张今，张红缨，李青山，等．核酸结构与动力学导论［Ｍ］．北京：科学　出版社，１９９５：１９—２０．　［１３］Ｌｅｗｉｎ　Ｂ．Ｇｅｎｅｓ　Ｉ　ｘ【Ｍ］．Ｊｏｎｅｓ　ａｎｄ　Ｂａｒｔｌｅｔｔ　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ｓｕｄｂｕｒｙ，ＭＡ，　ＵＳＡ．２００８．　［１４］Ｄｅｖｌｉｎ　Ｔ　Ｍ．Ｔｅｘｔｂｏｏｋ　ｆｏ　ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ｗｉｔｈ　ｃｌｉｎｉｃｌａ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．　６ｔｈ　ｅｄｉｔｉｏｎ．Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ—Ｌｉｓｓ，Ｈｏｂｏｋｅｎ，ＮＪ，２００６．