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      蘋果TCP轉(zhuǎn)錄因子家族生物信息學分析

      2014-07-18 12:07:10張士剛
      山東農(nóng)業(yè)科學 2014年5期
      關鍵詞:轉(zhuǎn)錄因子蘋果

      張士剛

      摘要:TCP蛋白家族是一類植物特有的轉(zhuǎn)錄因子家族,參與多種生理生化過程,具有重要的調(diào)控作用。本文利用生物信息學方法對蘋果TCP轉(zhuǎn)錄因子家族成員、基因分類、基因結(jié)構(gòu)、染色體定位、系統(tǒng)進化關系和結(jié)構(gòu)域序列保守性進行了預測和分析。結(jié)果表明,蘋果TCP基因家族包含52個成員,分為3類:Class Ⅰ、ClassⅡ和ClassⅢ;MdTCP蛋白含有115~612個氨基酸,等電點為5.41~10.65;除3號染色體外,其余16條染色體均有MdTCP基因分布,其中5號染色體最多,有7個。

      關鍵詞:蘋果;TCP;轉(zhuǎn)錄因子;全基因組分析

      中圖分類號:Q754文獻標識號:A文章編號:1001-4942(2014)05-0012-06

      TEOSINTE BRANCHED1/CYCLOIDEA/PROLIFERATING CELL FACTOR1(簡稱TCP)家族是一類植物特有的轉(zhuǎn)錄因子家族。最早發(fā)現(xiàn)的家族成員是玉米TB1(teosinte branched 1)基因,金魚草CYC(cycloidea)基因和水稻PCF1、PCF2基因,這4個基因編碼的蛋白都包含一段由約60個氨基酸組成的保守序列,該保守序列能形成一種非典型的螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)(non-canonical basic-Helix-Loop-Helix structure)[1,2,3]。根據(jù)其代表成員TB1、CYC和PCFs的首字母縮寫,把能夠編碼這段保守氨基酸序列的基因命名為TCP基因,把這段保守的氨基酸序列命名為TCP結(jié)構(gòu)域[2]。TCP結(jié)構(gòu)域中的螺旋-環(huán)-螺旋區(qū)域(bHLH)含有兩個由保守的親水氨基酸構(gòu)成的中性螺旋結(jié)構(gòu)和一個負責連接兩個螺旋區(qū)域的環(huán)結(jié)構(gòu)。在第二個螺旋區(qū)域有一個特異的“LXXLL”基序,動物bHLH蛋白的研究結(jié)果表明這段基序可以通過調(diào)控轉(zhuǎn)錄的共激活單元結(jié)合到核定位蛋白上[4]。TCP家族成員除了含有TCP結(jié)構(gòu)域外,還存在一個保守的R結(jié)構(gòu)域[5],R結(jié)構(gòu)域并不是所有的TCP轉(zhuǎn)錄因子共有的,它富含精氨酸、賴氨酸和谷氨酸等極性氨基酸,可以形成一個 親水性的α螺旋[3]。

      前人對CYC、TB1、PCFs和其他9條預測的擬南芥和玉米TCP基因進行了進化分析,結(jié)果表明,這12個基因可以被分為兩個亞家族,一個包含有CYC和TB1,命名為CYC/TB1亞家族;另一個包括PCFs,命名為PCF亞家族。其中TCP結(jié)構(gòu)域普遍存在于所有的TCP家族成員中,而R結(jié)構(gòu)域則特異存在于CYC/TB1亞家族的一些基因中[3]。對多種菊亞綱植物的TCP基因家族成員之間的進化關系進行聚類分析,表明TCP基因家族在各物種間的多樣化對其形態(tài)學上的進化具有重要作用[6]。Yao等通過對擬南芥23個TCP基因及水稻22個TCP基因的進化分析,將TCP家族分為三個亞家族:Class Ⅰ、Class Ⅱ和Class Ⅲ,同時對其結(jié)構(gòu)域進行了序列比對,并分析了不同基因在不同組織中的表達模式[7]。

      TCP家族轉(zhuǎn)錄因子主要在快速生長的組織或器官中表達,與植物細胞的分化和發(fā)育有密切關系。玉米TB1基因影響側(cè)生分生組織的生長和發(fā)育[1,8,9];水稻TB1基因被認為是水稻側(cè)枝發(fā)育的負調(diào)控元件[10];擬南芥TCP16基因?qū)υ缙诨ǚ鄣陌l(fā)育有重要作用[11]。擬南芥TCP20基因能夠結(jié)合CYCB1的GCCCR元件,具有調(diào)控細胞分裂和生長的作用[12],可與AtTCP9基因?qū)剐缘卣{(diào)控擬南芥葉片發(fā)育和茉莉酸代謝過程[13]。研究表明,擬南芥中的5個TCP基因:TCP2、TCP3、TCP4、TCP10和TCP24是microRNA 319a的靶基因,參與調(diào)控葉片的形態(tài)發(fā)生[14]。豆科模式植物百脈根中的LjCYC1和LjCYC3參與調(diào)控花分生組織的生長發(fā)育過程,另一類豆科植物豌豆中的CYC類TCP基因也參與控制背腹軸向不同類型花瓣的發(fā)育[15,16,17]。

      2010年8月,Velasco等在Nature Genetics上發(fā)表了關于‘金冠蘋果基因組測序工作的文章,標志著蘋果全基因組序列的測定已經(jīng)完成[18],這一成果將蘋果生物學研究帶入了嶄新的系統(tǒng)生物學時代,為研究者從全基因組水平對蘋果進行研究奠定了基礎。蘋果RING finger、MAPK和MAPKK、MdWRKY轉(zhuǎn)錄因子及DREB轉(zhuǎn)錄因子家族基因已通過生物信息學的方法鑒定出來,并進行了全基因組分析和基因功能預測[19~22]。目前TCP轉(zhuǎn)錄因子家族的研究主要集中在模式植物擬南芥、水稻和玉米中,蔬菜和果樹尤其是蘋果中的報道還非常少。本文從蘋果全基因組出發(fā),利用生物信息學的方法,鑒定出蘋果全部的TCP轉(zhuǎn)錄因子,對其家族進化關系及結(jié)構(gòu)域序列保守性進行了系統(tǒng)預測和分析,以期為進一步研究MdTCP基因的作用奠定一定的理論基礎。

      1材料與方法

      從蘋果功能基因組數(shù)據(jù)庫(http://www.appplegene.org/)下載TCP轉(zhuǎn)錄因子家族序列;從GDR數(shù)據(jù)庫下載‘金冠蘋果全基因組序列,構(gòu)建本地Blast數(shù)據(jù)庫,以擬南芥TCP轉(zhuǎn)錄因子家族基因序列執(zhí)行本地Blast(1e-003)搜索[23];合并兩部分結(jié)果,利用Perl程序篩選,去掉重復序列,所得結(jié)果再利用PFAM及NCBI-CDD工具進行蛋白結(jié)構(gòu)預測,刪除不含TCP結(jié)構(gòu)域的基因。利用ExPASy Proteomics Server(http://expasy.org/),對所有TCP基因編碼蛋白進行分子量、等電點預測。

      從GDR數(shù)據(jù)庫下載‘金冠蘋果基因組信息文件(assembly gff3 file),利用Perl程序選取TCP基因的染色體位置信息,并利用MapDraw工具進行染色體定位作圖。

      用MUSCLE進行序列比對,選取TCP結(jié)構(gòu)域序列,再利用 MEGA5構(gòu)建進化樹。進化樹生成算法采用鄰接法(Neighbor-Joining,NJ),校驗參數(shù)Bootstrap 重復1 000次[24];基因結(jié)構(gòu)利用生物學軟件Gene Structure Display Server(GSDS,http://gsds.cbi.pku.edu.cn/)分析獲得;保守性分析則采用DNAMAN生物學軟件進行保守序列比對。

      2結(jié)果與分析

      2.1蘋果TCP轉(zhuǎn)錄因子家族成員的鑒定

      利用生物信息學方法,從蘋果全基因組鑒定得到52個TCP轉(zhuǎn)錄因子家族成員,根據(jù)其系統(tǒng)進化樹分析結(jié)果,對其進行了系統(tǒng)編號。MdTCP對應的基因編號、基因組登錄號、編碼序列長度、外顯子數(shù)量、蛋白長度、分子量、等電點、所在染色體位置和擬南芥同源基因等特征見表1。由表1可知,MdTCP蛋白長度在115 aa(MdTCP50)~612 aa(MdTCP27)范圍內(nèi),等電點在5.41(MdTCP32)~10.65之間(MdTCP3)。如圖1所示,有49個MdTCP基因存在于不同染色體上,其中5號染色體最多,有7個;3號染色體上沒有分布;其余染色體上各有1~5個MdTCP基因分布。另外有3個MdTCP基因MdTCP50、MdTCP51和MdTCP52未發(fā)現(xiàn)相應的染色體定位信息。

      2.2蘋果TCP轉(zhuǎn)錄因子家族系統(tǒng)進化及基因結(jié)構(gòu)分析

      如圖2所示,MdTCP基因的內(nèi)含子和外顯子數(shù)量表現(xiàn)出了較高的保守性,其中沒有內(nèi)含子的MdTCP基因有32個,占總數(shù)的61.5%;有1個內(nèi)含子的有9個,占17.3%;有2個內(nèi)含子的有7個,占13.5%;有3個和5個內(nèi)含子的MdTCP基因分別有2個,各占3.8%。

      圖2蘋果TCP轉(zhuǎn)錄因子家族系統(tǒng)進化樹和基因結(jié)構(gòu)分析

      2.3蘋果與擬南芥TCP轉(zhuǎn)錄因子家族系統(tǒng)進化及保守結(jié)構(gòu)域分析

      進化樹分析(圖3)表明,52個MdTCP轉(zhuǎn)錄因子可分為ClassⅠ、ClassⅡ和Class Ⅲ三類,分別包括22、4和26個,其中第二類數(shù)量較少,這與擬南芥和水稻中的規(guī)律是一致的[7]。前人研究表明,擬南芥中有24個TCP家族成員[7,25],由圖3可知,不同的AtTCP轉(zhuǎn)錄因子與52個MdTCP轉(zhuǎn)錄因子有著不同的同源性,例如,AtTCP20與MdTCP22、MdTCP35、MdTCP47同源性較高,AtTCP9與MdTCP18同源性較高。對預測的52個蘋果TCP轉(zhuǎn)錄因子蛋白序列進行保守結(jié)構(gòu)域序列比對,結(jié)果發(fā)現(xiàn),三類蘋果TCP蛋白中均包含有TCP結(jié)構(gòu)域,即TCP轉(zhuǎn)錄因子的特征序列——bHLH結(jié)構(gòu)域(圖4)。

      3討論與結(jié)論

      隨著越來越多物種全基因組測序工作的完成,海量的基因組數(shù)據(jù)、信息擺在我們面前,如何從這些數(shù)據(jù)中找到我們所需要的部分成為亟待解決的難題。利用生物信息學方法對基因組數(shù)據(jù)進行分析,研究各個物種間的進化關系和相互間的親緣關系,以及物種內(nèi)各基因家族成員的進化關系,能夠為后續(xù)基因功能的研究提供一定的借鑒。本文利用生物信息學方法,對蘋果基因組中的TCP轉(zhuǎn)錄因子進行了鑒定與分析。以期為今后研究蘋果TCP轉(zhuǎn)錄因子的具體生理作用奠定一定的理論基礎。

      TCP轉(zhuǎn)錄因子在植物中分布較廣,各物種間的分布數(shù)量存在一定差異。擬南芥TCP轉(zhuǎn)錄因子家族有24個成員,水稻有22個成員[7,25],本研究鑒定了52個蘋果TCP家族成員。通過系統(tǒng)進化分析發(fā)現(xiàn),MdTCP22、MdTCP35、MdTCP47與AtTCP20的同源性較高,MdTCP18與AtTCP9的同源性較高,結(jié)合擬南芥研究結(jié)果,這些基因可能在蘋果生長發(fā)育及代謝過程中起作用;而MdTCP8、MdTCP9、MdTCP10、MdTCP11、MdTCP25和MdTCP49與AtTCP2、AtTCP3、AtTCP4和AtTCP10的同源性較高,說明它們有可能作為microRNA的靶基因參與蘋果葉片的發(fā)育。借鑒擬南芥、水稻及其它物種中TCP轉(zhuǎn)錄因子在植物生長發(fā)育和相關代謝過程中的功能研究,探索MdTCP轉(zhuǎn)錄因子在蘋果生長發(fā)育尤其是葉片和側(cè)枝、某些激素代謝過程中的功能及其相互作用機制是今后蘋果相關研究的重點。

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