含F(xiàn)z-CRD結(jié)構(gòu)域的蛋白家族及兩類bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族的系統(tǒng)進化分析.pdf

1、G蛋白偶聯(lián)受體GPCR是一類與GTP結(jié)合蛋白相偶聯(lián)的含7次跨膜螺旋的受體超家族，其亞家族Frizzled（FZD）作為Wnt的受體，在胚胎發(fā)育、細胞增殖、分化和遷移等方面發(fā)揮重要作用。FZD蛋白的N端包含細胞外的半胱氨酸富集區(qū)結(jié)構(gòu)域（CRD），其由10個半胱氨酸組成5對二硫橋，可以和配體Wnt結(jié)合從而激活并介導(dǎo)下游信號通路，該結(jié)構(gòu)域稱之為Frizzled-like CRD，簡稱Fz-CRD。bHLH（堿性-螺旋-環(huán)-螺旋，basic h

2、elix-loop-helix）轉(zhuǎn)錄因子超家族廣泛存在于動物、植物和真菌中，參與神經(jīng)發(fā)育、肌肉生成、細胞增殖、組織分化和其他一些重要的生物學(xué)過程。HES/HEY蛋白為bHLH超家族的一個家族，其結(jié)構(gòu)特點為同時含有一個bHLH DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域和Orange結(jié)構(gòu)域。PAS也是bHLH的一個家族，其結(jié)構(gòu)特點是含有bHLH結(jié)構(gòu)域和PAS結(jié)構(gòu)域，且包括兩個PAS結(jié)構(gòu)域。
　　本論文系統(tǒng)研究了含有Fz-CRD結(jié)構(gòu)域的蛋白家族、bHLH轉(zhuǎn)錄因

3、子超家族中兩類家族（HES/HEY和PAS）的起源和進化。故本文內(nèi)容主要分為三個部分。
　　第一，本文研究了含有Fz-CRD結(jié)構(gòu)域的蛋白家族的起源進化。同源搜索發(fā)現(xiàn)Fz-CRD結(jié)構(gòu)域存在于多類蛋白質(zhì)中，包括FZD、SFRP、RTK、MFRP、CPZ、CORIN和COL18A1等。Fz-CRD結(jié)構(gòu)域在盤基網(wǎng)柄菌（Dictyostelium discoideum）這一低等真核生物中已經(jīng)存在，且與Frizzled的七次跨膜結(jié)構(gòu)域融合形成

4、Frizzled受體。此后，F(xiàn)ZD受體在不同物種中經(jīng)過復(fù)制、分化和內(nèi)含子丟失等過程，最終在脊椎動物中形成11個成員。此外，通過分析SFRP和具有Fz-CRD的RTK發(fā)現(xiàn)它們在海綿動物中存在，在脊椎動物中有較明顯的擴增。MFRP、CPZ、CORIN和COL18A1等幾類含F(xiàn)z-CRD的蛋白是在脊椎動物進化中通過結(jié)構(gòu)域融合而出現(xiàn)。另外，我們還發(fā)了Fz-CRD上的一個糖基化位點可能與Wnt配體結(jié)合有關(guān)。基于這些結(jié)果，我們提出了一個含F(xiàn)z-CR

5、D結(jié)構(gòu)域的蛋白融合和進化模型，并推測其在后生生物和脊椎動物中發(fā)生了兩輪基因擴增。
　　第二，本文研究了HES/HEY轉(zhuǎn)錄因子家族的起源和進化。HES/HEY家族是bHLH轉(zhuǎn)錄因子超家族的一員。HES/HEY蛋白是Notch信號的直接目標基因，在神經(jīng)系統(tǒng)、體節(jié)發(fā)生、血管發(fā)育和心臟發(fā)育中發(fā)揮重要作用。我們系統(tǒng)鑒定了10多個代表性物種中的HES/HEY家族基因，對其進行起源和進化分析。結(jié)果顯示HES/HEY基因只存在于后生生物中，可能起

6、源于后生生物的共同祖先。本研究選取bHLH和Orange兩個結(jié)構(gòu)域，用不同方法構(gòu)建進化樹（Bayes、ML、NJ和ME），把HES/HEY基因分為四類，并推測了HES/HEY基因家族經(jīng)歷了三次擴增，分別與真后生生物、脊椎動物和硬骨魚的起源相聯(lián)系。基因結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)不同物種中HES/HEY涉及外顯子或者內(nèi)含子的丟失。我們提出了HES/HEY基因家族進化模型，闡述HES/HEY基因的擴增、外顯子/內(nèi)含子丟失和motif丟失等進化歷程。此外，還

7、研究了硬骨魚特異性復(fù)制，并用RT-PCR檢測了斑馬魚不同組織中復(fù)制基因的不同表達模式。本研究將對Notch信號在發(fā)育中的功能研究提供一定的指導(dǎo)作用。
　　第三，本文研究了bHLH/PAS轉(zhuǎn)錄因子家族的進化。bHLH/PAS家族參與環(huán)境的轉(zhuǎn)錄應(yīng)答和神經(jīng)發(fā)育等過程，其系統(tǒng)進化研究較少。我們在不同的代表性物種中鑒定了bHLH/PAS基因，用不同的方法（Bayes、ML、NJ和ME）構(gòu)建了系統(tǒng)進化樹，結(jié)果表明bHLH/PAS可以較為明顯的

8、分成幾個類，每個類在進化樹中都有很高的支持率。外顯子和內(nèi)含子結(jié)構(gòu)分析表明，一個保守的相位為“1001-0210”的八外顯子結(jié)構(gòu)存在于海葵、海膽和文昌魚等原始生物的bHLH/PAS基因中，進化過程中該八外顯子結(jié)構(gòu)的保留或丟失，形成了現(xiàn)在哺乳動物中的bHLH/PAS成員。通過對全長序列的功能歧化研究，發(fā)現(xiàn)大部分的bHLH/PAS成員之間的功能歧化系數(shù)都大于0，暗示其進化過程發(fā)生了選擇性限制改變。沒有發(fā)現(xiàn)正選擇位點，暗示凈化選擇（負選擇）在這