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

1、基因家族起源、分化的分子機(jī)制研究是生物進(jìn)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(kuò)張?jiān)斐傻?，物種特異性擴(kuò)張主要有3種方式，即片段復(fù)制、串聯(lián)重復(fù)和逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座等。其中片段重復(fù)和串聯(lián)重復(fù)為主要方式。重復(fù)的基因可能經(jīng)歷正選擇和基因轉(zhuǎn)換等適應(yīng)性進(jìn)化的選擇壓力。目前對重復(fù)基因的命運(yùn)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(jìn)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(fù)基因。已有生物信息學(xué)分析表明水稻秈粳兩個(gè)亞種的分化時(shí)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(gè)研究機(jī)構(gòu)對水稻中基因家族的分子進(jìn)化規(guī)律進(jìn)行了分析，使得基因家族的分子進(jìn)化研究成為水稻基因組研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。本文在這些研究的基礎(chǔ)上，從基因組水平上對水稻TLP、SBP-box、CPP-like、Cystati

3、n和HAK 5個(gè)基因家族進(jìn)行了生物信息學(xué)分析和分子進(jìn)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(gè)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(xì)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(xì)胞生物中。本研究中，對擬南芥、水稻和楊樹的TLP基因家族進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)生分析，并進(jìn)行了分子進(jìn)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(gè)TLP基因。植物中的大部分TLP蛋白質(zhì)包含兩個(gè)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(gè)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(jìn)行了擴(kuò)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(gè)物種的

5、基因擴(kuò)張模式進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)水稻和楊樹TLP基因家族的擴(kuò)張主要是由于片段重復(fù)引起的，而非串聯(lián)重復(fù)和隨機(jī)性復(fù)制與重復(fù)事件。協(xié)同進(jìn)化分析表明TUB和F-box結(jié)構(gòu)域在進(jìn)化過程中是協(xié)同進(jìn)化的，并且可能一起行使著一定的功能。對3個(gè)物種中7"LP的旁系同源基因進(jìn)行的組織特異性表達(dá)分析表明在長期的進(jìn)化過程中，重復(fù)基因發(fā)生功能分歧是其主要特征。對重復(fù)基因的Ka/Ks分析表明正選擇和自然選擇可能對重復(fù)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(gè)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(dá)。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?yàn)闄z索序列，在擬南芥和水稻基因組中分別鑒定出17和19個(gè)SBP-box基因。系統(tǒng)發(fā)生分析表明這類基因的基本特點(diǎn)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(jìn)行了擴(kuò)張，片段復(fù)制對這兩個(gè)物種中SBP-box基因家族的擴(kuò)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(gè)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(jìn)一步分析了SBP-box基因家族的表達(dá)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(dá)，而水稻的SBP-box基因則主要在花和愈傷組織中表達(dá)。 (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(gè)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(jìn)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(jìn)行了比較分析和分子進(jìn)化研究。系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行了擴(kuò)張，并且在擬南芥中還發(fā)現(xiàn)了基因丟失現(xiàn)象。對重復(fù)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(jìn)化起到重要的作用。進(jìn)一步分析表明正選擇壓力是植物中CPP-like基因進(jìn)化的主要?jiǎng)恿?，并且發(fā)現(xiàn)具有正選擇作用的氨基酸位點(diǎn)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(jìn)化過程中是協(xié)同進(jìn)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?yàn)闄z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(jìn)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(gè)擬南芥和12個(gè)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(gè)亞族之間發(fā)生了功能性分歧，并且適應(yīng)性進(jìn)化在其進(jìn)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(dá)，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(yùn)體基因家族是植物中最大的鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)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(gè)編碼高親和力鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)子基因家族分成4個(gè)相互獨(dú)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