基于生物信息學方法的水稻TLP、SBP-box、CPP-like、Cystatin和HAK基因家族的分子進化研究.pdf

1、基因家族起源、分化的分子機制研究是生物進化領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。隨著各種模式生物基因組測序工作的完成，人們對基因家族研究興趣越來越濃。植物基因組中基因家族的成員數(shù)目往往比動物等其他物種中更多，這主要是由于其在植物物種中特異性擴張造成的，物種特異性擴張主要有3種方式，即片段復制、串聯(lián)重復和逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座等。其中片段重復和串聯(lián)重復為主要方式。重復的基因可能經(jīng)歷正選擇和基因轉(zhuǎn)換等適應性進化的選擇壓力。目前對重復基因的命運的討論已比較多，主要模型有亞

2、功能化、非功能化、新功能化和亞新功能化等模型。水稻基因組在進化過程中至少經(jīng)歷了兩次全基因組倍增事件，從而產(chǎn)生了大量的重復基因。已有生物信息學分析表明水稻秈粳兩個亞種的分化時間可能在距今50萬年前。此外，在水稻基因組被測序之后，多個研究機構(gòu)對水稻中基因家族的分子進化規(guī)律進行了分析，使得基因家族的分子進化研究成為水稻基因組研究領(lǐng)域的熱點之一。本文在這些研究的基礎上，從基因組水平上對水稻TLP、SBP-box、CPP-like、Cystati

3、n和HAK 5個基因家族進行了生物信息學分析和分子進化研究。主要結(jié)果如下： (1)類TuLbby蛋白質(zhì)(Tubby-like proteins，TLP)在動物中屬于一個較小的蛋白質(zhì)家族，但是在動物生長發(fā)育中起著重要作用，主要表現(xiàn)在對神經(jīng)細胞的維持和功能等方面。該基因家族的成員廣泛存在于動植物等多細胞生物中。本研究中，對擬南芥、水稻和楊樹的TLP基因家族進行了系統(tǒng)發(fā)生分析，并進行了分子進化研究。通過在基因組水平上的搜索，在擬南芥、

4、水稻和楊樹基因組中分別發(fā)現(xiàn)了11、14和11個TLP基因。植物中的大部分TLP蛋白質(zhì)包含兩個高度保守的結(jié)構(gòu)域，分別是TUB和F-box結(jié)構(gòu)域。通過系統(tǒng)發(fā)生分析，可以將植物中的該基因家族成員分成3個亞族，并且發(fā)現(xiàn)該基因家族成員數(shù)目在單子葉和雙子葉植物分離之后按照物種特異性的方式進行了擴張。該基因家族的內(nèi)含子位置在大多數(shù)基因中是保守的，表明這一基因家族的外顯子/內(nèi)含子結(jié)構(gòu)在單子葉和雙子葉植物分離之前便已經(jīng)形成了。在基因組水平上對這3個物種的

5、基因擴張模式進行了分析，發(fā)現(xiàn)水稻和楊樹TLP基因家族的擴張主要是由于片段重復引起的，而非串聯(lián)重復和隨機性復制與重復事件。協(xié)同進化分析表明TUB和F-box結(jié)構(gòu)域在進化過程中是協(xié)同進化的，并且可能一起行使著一定的功能。對3個物種中7"LP的旁系同源基因進行的組織特異性表達分析表明在長期的進化過程中，重復基因發(fā)生功能分歧是其主要特征。對重復基因的Ka/Ks分析表明正選擇和自然選擇可能對重復基因的功能性分歧起著重要作用。 (2)SBP

6、-box基因家族是植物特有的轉(zhuǎn)錄因子基因家族。這類基因編碼的蛋白質(zhì)序列中包含一個高度保守的SBP結(jié)構(gòu)域，并能夠特異結(jié)合在植物花分生組織識別基因。SQUAMOSA及其同源基因的啟動子區(qū)段，以調(diào)控其表達。本研究中，利用已知SBP-box基因所編碼蛋白質(zhì)的SBP結(jié)構(gòu)域為檢索序列，在擬南芥和水稻基因組中分別鑒定出17和19個SBP-box基因。系統(tǒng)發(fā)生分析表明這類基因的基本特點在擬南芥和水稻分離之前便已經(jīng)建立，并且在單子葉和雙子葉植物分離之后，

7、在擬南芥和水稻中均按照物種特異性的方式進行了擴張，片段復制對這兩個物種中SBP-box基因家族的擴張均起到重要的作用。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生樹將SBP-box基因家族分成了9個同源簇，每一同源簇中均具有相似的基序，并且基序在蛋白質(zhì)中的排列順序也非常相似。非同義替換率與同義替換率分析表明同源基因的SBP結(jié)構(gòu)域區(qū)段經(jīng)歷了純化選擇，而結(jié)構(gòu)域之外的區(qū)段則經(jīng)歷了正選擇或者較弱的純化選擇。通過對EST數(shù)據(jù)庫的搜索，進一步分析了SBP-box基因家族的表達模式

8、，結(jié)果表明擬南芥的SBP-box基因主要在花、葉、根和種子中表達，而水稻的SBP-box基因則主要在花和愈傷組織中表達。 (3)類CPP基因家族(CPP-like gene family)屬于一類成員數(shù)目較少的基因家族，該基因家族成員編碼的蛋白質(zhì)序列含有一到兩個富含半胱氨酸的結(jié)構(gòu)域，即CXC結(jié)構(gòu)域。該基因家族在植物和動物中廣泛存在，但是沒有在酵母中發(fā)現(xiàn)。為了解CPP-like基因家族在植物中的進化規(guī)律，本研究對擬南芥和水稻基因組

9、中的CPP-like基因家族進行了比較分析和分子進化研究。系統(tǒng)進化分析表明在單子葉和雙子葉植物分化完成之后，擬南芥和水稻基因組中的CPP-like基因家族按照物種特異性的方式進行了擴張，并且在擬南芥中還發(fā)現(xiàn)了基因丟失現(xiàn)象。對重復基因的內(nèi)含子/外顯子結(jié)構(gòu)分析表明內(nèi)含子獲得和丟失均對這些基因的進化起到重要的作用。進一步分析表明正選擇壓力是植物中CPP-like基因進化的主要動力，并且發(fā)現(xiàn)具有正選擇作用的氨基酸位點大部分位于結(jié)構(gòu)域之外的序列中

10、。此外本研究還發(fā)現(xiàn)CPP-like基因編碼的蛋白質(zhì)中存在兩段CXC結(jié)構(gòu)域，這兩段CXC結(jié)構(gòu)域序列及連接這兩段結(jié)構(gòu)域的序列在長期的進化過程中是協(xié)同進化的。 (4)半胱氨酸蛋白酶抑制劑(cystatin)基因廣泛存在于植物物種中。該類基因能夠起到抑制某些病原微生物和昆蟲體內(nèi)半胱氨酸蛋白酶的作用，在植物的防衛(wèi)體系中起到重要作用。我們利用已經(jīng)分離出的植物cystatin基因的eystatin結(jié)構(gòu)域為檢索序列在基因組水平上對擬南芥和水稻中

11、的eystatin基因家族的成員進行了鑒定和系統(tǒng)發(fā)生分析。結(jié)合結(jié)構(gòu)域的鑒定、多序列聯(lián)配以及MEME分析最終確定了7個擬南芥和12個水稻的cystatin基因。系統(tǒng)發(fā)生分析表明cystatin基因的基本特征很可能是在擬南芥和水稻的分離之前就已經(jīng)形成了。cystatin結(jié)構(gòu)域在蛋白質(zhì)問是高度保守的。擬南芥與水稻Cystatin基因家族的兩個亞族之間發(fā)生了功能性分歧，并且適應性進化在其進化過程中起著重要作用。擬南芥和水稻的cystatin基因

12、主要在花、葉、根、種子和愈傷組織中表達，這對植物避免昆蟲的侵害將起到重要作用。 (5)高親和力鉀離子(high-affinity K+)轉(zhuǎn)運體基因家族是植物中最大的鉀離子轉(zhuǎn)運基因家族，在植物的生長發(fā)育中起著重要作用。本研究中通過全基因組搜索，在水稻基因組中發(fā)現(xiàn)27個編碼高親和力鉀離子轉(zhuǎn)運體的基因。通過系統(tǒng)發(fā)生樹將擬南芥與水稻的HAK轉(zhuǎn)運子基因家族分成4個相互獨立的亞族。在單子葉和雙子葉植物分離之后，水稻中的HAK因按照種系特異性