DNA修復(fù)相關(guān)基因及耐輻射球菌基因組進化生物信息學(xué)研究.pdf

1、研究不同的物種已經(jīng)鑒定出了許多DNA修復(fù)的途徑。在比較研究中，進化的觀點是頗為有用的，其不僅僅是簡單的鑒定途徑的不同之處，而且還著重了解不同是怎樣產(chǎn)生的。在本文中，我們展示了DNA修復(fù)蛋白及過程的比較分析。基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫序列，我們較為詳盡的研究了RecX家族及MutT/Nudix超家族這些與DNA修復(fù)相關(guān)的基因，將有利于了解DNA修復(fù)途徑的起源進化，也將增進我們對于DNA修復(fù)的理解。在DNA修復(fù)的研究中，不僅對于理解物種間修復(fù)的差異，而

2、且對于修復(fù)的過程，我們相信進化的觀點都是舉足輕重的。耐輻射球菌(Deinococcus radiodurans)是目前所知最抗輻射的生物之一，研究耐輻射球菌的DNA損傷和修復(fù)途徑展示了其極度的對于電離輻射、紫外線和活性氧的抗性。而完整的基因組序列為研究不同物種中的DNA修復(fù)提供了潛在的新材料。比較耐輻射球菌和新近完成的Deinococcus geothermalis基因組的數(shù)據(jù)將對于奇球?qū)僦屑毦亩嗳旧w的起源和進化的深入了解大有裨益，

3、或許對于耐輻射球菌的抗性解釋有新的啟示。 RecX蛋白通過與RecA蛋白或RecA纖維聚合體相互作用來調(diào)節(jié)RecA的活性。在耐輻射球菌當(dāng)中，RecX不僅下調(diào)recA基因的轉(zhuǎn)錄，而且也直接在蛋白質(zhì)水平上抑制RecA的活性。DinI和RecX蛋白組成一個調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)，進而對于RecA的活性進行競爭性的調(diào)控，其中DinI作為正調(diào)控物而RecX作為負調(diào)控物。我們的研究展示了一個較為全面的RecX進化的歷史，對于RecX的進化研究也許有助于

4、揭示RecA調(diào)節(jié)機制的進化。通過搜索微生物基因組的數(shù)據(jù)庫來確定RecX的分布，結(jié)果顯示RecX在大多數(shù)的細菌中存在。很多細菌，但不是所有的細菌擁有recX基因，RecX的同源物是有限度保守的。因為RecX的同源物只在細菌的主要分支中找到，所以推測RecX是個古老的蛋白而存在于細菌的共同祖先當(dāng)中。Rocha最近的工作顯示，RecX的同源物在一些細菌門類中找不到，其中包括Aquificae門、Cyanobacteria門、 Chlamydi

5、ae門和在Proteobacteria門及Firmicute門中的一些小的分支。我們對于RecX的進化分析提示了RecX是在細菌的共同祖先中起源，或者是在接近細菌界分化時起源。RecX存在于細菌的祖先當(dāng)中，而后在各個細菌分支中繼承下來；植物。RecX樣蛋白是由一個未知來源的獨特的N-末端結(jié)構(gòu)域和RecX結(jié)構(gòu)域基因融合而成；植物RecX結(jié)構(gòu)域由細菌基因組到植物中。recX在進化過程中，兩個處于同一操縱子當(dāng)中的基因在基因組序列上被分隔，甚至

6、在植物核基因組中處于不同的染色體上。在長期的細菌進化歷史中，RecA與RecX的相互作用并不是非常保守的。我們還討論了由細菌到植物中三種可能的進化途徑和RecX基因功能的進化圖景。RecX的進化歷史可能是一個涉及基因丟失、基因轉(zhuǎn)移、內(nèi)共生和基因融合事件的過程。 MutT/Nudix超家族包含分布廣泛的酶家族，其分享一個模體或基序(motif)GX(5)EX(7)REUXEE。人類細胞至少表達八個MutT模體或Nudix脫氫酶成員

7、，而這些酶在細胞中據(jù)信是具有清除有毒的核苷酸代謝物及調(diào)節(jié)核苷酸的水平和它們的代謝重要的信號，這是個對于人類的健康和疾病具有重要意義的蛋白家族。細菌的MutT蛋白與GO系統(tǒng)相關(guān)，去除氧化破壞的鳥核苷酸，Mu仃特異地降解8-oxo-dGTP，伴隨釋放焦磷酸。 在本文中，我們做了三個來自于原核和真核生物的雙MutT/Nudix結(jié)構(gòu)域蛋白實例分析。第一，動物的Nudix蛋白是共有保守的Nudix結(jié)構(gòu)域的。在果蠅中的melanogaste

8、r和obscura組(group)中發(fā)現(xiàn)了雙Nudix蛋白，但是在其它的昆蟲中，如蚊和蜜蜂，只發(fā)現(xiàn)單Nudix結(jié)構(gòu)域的蛋白。用Nudixl(N-末端Nudix結(jié)構(gòu)域)、Nudix2(C-末端Nudix結(jié)構(gòu)域)和其它動物的Nudix的蛋白質(zhì)序列構(gòu)建了系統(tǒng)進化樹。從進化樹上看，Nudixl和Nudix2由在蚊和果蠅中的共同的祖先序列通過基因重復(fù)事件得到。系統(tǒng)發(fā)育分析提示了動物雙Nudix結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)經(jīng)歷了A型基因重復(fù)-融合的事件。第二，在耐

9、輻射球菌中的雙MutT蛋白的N-末端(DR0004a-DR0004a)與雙MutT蛋白的C-末端(DR0004b-DR0329b)分別以99％高的bootstrap值分別聚在一起，然后兩個小的分支對又聚成一個分支，而且第三個分支對(DR0783-DR0784)與前兩個分支對聚成的分支又聚合在一起，這三個分支形成一個子樹。耐輻射球菌中的雙MutT蛋白由B型基因重復(fù)．融合事件而得到。最后，在大腸桿菌中的lVK6的分子中存在兩個顯然相似的Nu

10、dix結(jié)構(gòu)，盡管兩個結(jié)構(gòu)域間只存在相當(dāng)?shù)偷男蛄邢嗨菩?。我們提出古老的基因重?fù)融合事件來解釋這個現(xiàn)象?；虻闹貜?fù)-融合事件是雙MutT/Nudix結(jié)構(gòu)域蛋白的最基本而重要的新基因產(chǎn)生機制。獨立的基因重復(fù)-融合事件導(dǎo)致了不同的雙MutT/Nudix結(jié)構(gòu)域蛋白中的相似結(jié)構(gòu)。它們的進化命運與一般的重復(fù)基因?qū)τ胁町悾覀冋J為這些個例研究可能將對于進一步理解基因重復(fù)事件后果有幫助。 許多細菌只有一個環(huán)狀的染色體，但是耐輻射球菌卻擁有含兩個染

11、色體(DRCI和DRCII)，的復(fù)雜基因組。于2006年完成的Deinococcus geothermalis基因組也擁有兩個染色體(DGCI和DGCII)。比較基因組的研究不僅為從進化觀點理解DNA修復(fù)，而且為細菌的多染色體進化和理解多染色體的起源提供了信息。奇球?qū)俚牟煌姆N能夠抵抗由電離輻射、紫外線等造成的損傷。比較這個屬中僅有的已經(jīng)解析的基因組的不同染色體有助于理解奇球?qū)僦屑毦嗳旧w進化及DNA修復(fù)提供信息。我們比較基因組的結(jié)果

12、提示了DRCI和DGCI在奇球?qū)僦锌赡苡泄餐淖嫦热旧w。這個結(jié)果進一步支持了1999年White在Science上發(fā)表的觀點，即DGCI與Thermus中單個的染色體TTCI同源有共同的祖先染色體分子，而耐輻射球菌其它的成分有著不同的起源。DRCI和DGCII僅共享6％的基因，DRCII和DGCI之間也是分享約6％的基因。而我們發(fā)現(xiàn)DRCII和 DGCII可能也并非同源，因為它們僅共有16％的基因。最后我們提出了一個在 Deinoco