狗獾全基因组微卫星分布规律及特征分析

doi:10.16829/j.slxb.151022

摘要/Abstract

摘要：

狗獾（Meles meles）隶属食肉目狗獾属，以社会群体生活在地下环境中，具有明显的领地行为。狗獾主要在夜间活动，具有广泛的食物偏好，同时也是牲畜结核病感染的重要野生动物宿主。本研究运用生物信息学手段对狗獾基因组微卫星的分布特征进行系统分析，并对编码区含有微卫星的基因进行注释和功能分析。结果表明，狗獾全基因组大小为2.74 Gb，含有975 935个微卫星，微卫星相对丰度为356.35 loci/Mb。全基因组微卫星分布模式为单碱基重复序列 > 二碱基重复序列 > 四碱基重复序列 > 三碱基重复序列 > 五碱基重复序列 > 六碱基重复序列，其中GC含量二碱基重复最高，单碱基重复最低，微卫星中富含A/T碱基的重复序列占据明显优势。狗獾微卫星在基因组不同区域丰度不同，其中基因间区数量最多（595 769个），内含子相对丰度最高（385.22 loci/Mb），编码区数量（1 724个）和丰度（48.40 loci/Mb）最小。基因间区与全基因组微卫星的分布特征相似，而外显子中三碱基重复类型较为丰富，其中编码区表现出对三碱基重复和六碱基重复类型的强烈偏好。对于微卫星丰度分布的位置特征，微卫星在内含子区域丰度最高，其次为基因上下游500 bp，外显子区域最低。狗獾基因组中含有微卫星的CDS有1 724条，GO注释到1 325个基因，分配到11 971个GO条目，并归类到39个主要基因功能中。KEGG富集最显著的通路为信号传导通路，含有207个基因。本研究结果为后续开发狗獾高质量微卫星标记提供基础数据，也为理解食肉目物种微卫星在全基因组中的功能及分布特点提供了参考。

关键词: 狗獾, 微卫星, 分布规律, GO分析, KEGG富集

Abstract:

The Eurasian badger (Meles meles) belongs to the order Carnivora and the genus Meles. It lives in social groups in underground environments and exhibits distinct territorial behaviors. The Eurasian badger is primarily nocturnal, with a broad dietary preference, and it is also an important wildlife host for bovine tuberculosis. This study systematically investigates the distribution characteristics of microsatellites in the Eurasian badger genome using bioinformatics methods and annotates and functionally analyzes genes containing microsatellites in coding regions. The results show that the Eurasian badger genome is 2.74 Gb in size and contains 975 935 microsatellites, with a relative abundance of 356.35 loci/Mb. The distribution pattern of microsatellites across the whole genome is as follows: mononucleotide > dinucleotide > tetranucleotide > trinucleotide > pentanucleotide > hexanucleotide repeats. Among these, dinucleotide repeats have the highest GC content, while mononucleotide repeats have the lowest. Microsatellites with A/T-rich sequences dominate in the genome. The abundance of microsatellites varies in different regions of the genome, with the highest number found in intergenic regions (595 769), the highest relative abundance in introns (385.22 loci/Mb), and the lowest in coding regions (1 724 loci and 48.40 loci/Mb). The distribution characteristics of microsatellites in intergenic regions are similar to those in the whole genome, while the exons show a higher frequency of trinucleotide repeats, with a strong preference for trinucleotide and hexanucleotide repeat types in the coding regions. Regarding the positional features of microsatellite abundance, the highest abundance is found in the intron regions, followed by the 500 bp upstream and downstream regions of genes, with the lowest in the exonic regions. There are 1 724 CDSs containing microsatellites in the Eurasian badger genome, with 1 325 genes annotated in the Gene Ontology (GO) database, which are assigned to 11 971 GO terms and categorized into 39 major functional groups. The most significantly enriched Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) pathway is the signaling pathway, containing 207 genes. This study provides fundamental data for the subsequent development of high-quality microsatellite markers for the Eurasian badger and offers a reference for understanding the functional and distribution characteristics of microsatellites in the whole genome of carnivorous species.

Key words: Meles meles, Microsatellite, Distribution patterns, GO analysis, KEGG enrichment

中图分类号:

Q953

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图/表 10

表1 狗獾基因组中微卫星的分布

Table 1 Distribution of microsatellites in the genomes of Meles meles

类型 Type	数量 Counts	长度 Length/bp	比例 Percent/%	平均长度 Average length/bp	相对丰度 Relative abundance/（loci/Mb）	相对密度 Relative density/（bp/Mb）	GC
类型 Type	数量 Counts	长度 Length/bp	比例 Percent/%	平均长度 Average length/bp	相对丰度 Relative abundance/（loci/Mb）	相对密度 Relative density/（bp/Mb）	含量 Content/%	长度 Length/bp
单碱基重复 Mononucleotide repeat	521 121	7 849 359	53.40	15.06	190.28	2 866.12	8.46	664 250
二碱基重复 Dinucleotide repeat	238 388	5 083 296	24.43	21.32	87.05	1 856.12	44.29	2 251 565
三碱基重复 Trinucleotide repeat	44 837	849 318	4.59	18.94	16.37	310.12	33.76	286 756
四碱基重复 Tetranucleotide repeat	142 384	2 766 664	14.59	19.43	51.99	1 010.22	15.55	430 280
五碱基重复 Pentanucleotide repeat	24 088	535 120	2.47	22.22	8.8	195.39	19.62	104 989
六碱基重复 Hexanucleotide repeat	5 117	137 010	0.52	26.78	1.87	50.03	36.15	49 524
总计 Total	975 935	17 220 767	100	17.65	356.35	6 288	21.99	3 787 364

表2 狗獾最多微卫星重复基序的比较

Table 2 The most frequent microsatellite motifs found in genomes of Meles meles

类型 Type	基序 Motif	数量Counts	比例 Percent/%
单碱基重复 Mononucleotide repeat	A	475 119	91.17
单碱基重复 Mononucleotide repeat	G	46 002	8.83
二碱基重复 Dinucleotide repeat	AG	119 219	50.01
二碱基重复 Dinucleotide repeat	AC	91 842	38.53
三碱基重复 Trinucleotide repeat	AAC	14 657	32.69
三碱基重复 Trinucleotide repeat	AAT	11 375	25.37
四碱基重复 Tetranucleotide repeat	AAAT	72 335	50.80
四碱基重复 Tetranucleotide repeat	AAAC	22 494	15.80
五碱基重复 Pentanucleotide repeat	AAAAC	12 185	50.59
五碱基重复 Pentanucleotide repeat	AAAAT	5 333	22.14
六碱基重复 Hexanucleotide repeat	AAAAAC	1 688	32.99
六碱基重复 Hexanucleotide repeat	AATCCC	590	11.53

表3 在全部微卫星序列中出现次数排名前十的基序

Table 3 The top 10 most frequent motifs in all microsatellite sequences

基序 Motif	数量 Counts	比例Percent/%
A	475 119	48.68
AG	119 219	12.22
AC	91 842	9.41
AAAT	72 335	7.41
G	46 002	4.71
AT	26 969	2.76
AAAC	22 494	2.30
AAC	14 657	1.50
AAAAC	12 185	1.25
AAAG	12 101	1.24

表4 微卫星中出现次数排名前十的重复

Table 4 The top 10 most frequent repeats in microsatellites

重复 Repeat	数量 Counts	长度 Length/bp	比例 Percent/%	平均长度 Average length/bp	相对丰度 Relative abundance/（loci/Mb）	相对密度 Relative density/（bp/Mb）
12	127 000	1 666 020	13.01	13.12	46.37	608.33
4	109 062	1 848 036	11.18	16.94	39.82	674.79
13	108 087	1 532 518	11.08	14.18	39.47	559.58
14	88 805	1 361 192	9.10	15.33	32.43	497.03
7	85 254	1 311 632	8.74	15.38	31.13	478.93
15	72 149	1 192 440	7.39	16.53	26.34	435.41
5	57 303	1 055 920	5.87	18.43	20.92	385.56
16	52 923	950 208	5.42	17.95	19.32	346.96
8	46 845	825 488	4.80	17.62	17.11	301.42
17	35 499	700 298	3.64	19.73	12.96	255.71

图1 狗獾各重复单元微卫星重复次数分布比较

Fig. 1 Repeat distribution of each microsatellite type in Meles meles

表5 狗獾微卫星在基因组不同区域的数量及分布特征

Table 5 Characterization of the number and distribution of microsatellites in different regions of Meles meles

指标 Index

基因区 Genetic region

基因间区

Intergenic region

丰度 Abundance/（loci/Mb）

图2 狗獾基因组不同区域微卫星类型的数量分布

Fig. 2 The distribution of microsatellite types in different genomic regions of Meles meles

图3 狗獾基因区及上下游微卫星丰度分布. 横坐标1 ~ 13分别表示基因上游500 bp、第一外显子、第一内含子、第二外显子、第二内含子、中间左边外显子、中间内含子、中间右边外显子、倒数第二内含子、倒数第二外显子、倒数第一内含子、倒数第一外显子、基因下游500 bp

Fig. 3 The microsatellite abundance in gene regions and upstream and downstream regions of Meles meles. Horizontal coordinates 1 - 13 indicated upstream 500 bp, exon 1, intron 1, exon 2, intron 2, mid left exon, mid intron, mid right exon intron reverse 2, exon reverse 2, intron reverse 1, exon reverse 1, downstream 500 bp, respectively

图4 狗獾编码区含有微卫星的基因GO功能分类. B：生物过程；C：细胞组分；M：分子功能

Fig. 4 GO functional classification of microsatellite-containing genes in the coding region of Meles meles. B: Biological process; C: Cellular component; M: Molecular function

图5 狗獾编码区含有微卫星的基因KEGG富集. A：环境信息处理；B：人类疾病；C：细胞过程；D：遗传信息处理；E：代谢；F：生物体系统

Fig. 5 The KEGG enrichment of microsatellite in the coding region of Meles meles. A: Environmental information processing; B: Human diseases; C: Cell process; D: Genetic information processing; E: Metabolism; F: Organismal systems

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