水稻线粒体渗透性转换孔相关基因家族的系统发育研究

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1、http://www.paper.edu.cn水稻线粒体渗透性转换孔相关基因家族的1系统发育研究夏春皎，刘学群，王春台中南民族大学生命科学学院生物技术国家民委重点实验室，武汉（430074）E-mail：chuntaiwang@yahoo.com.cn摘要：本文运用比较基因组及分子进化的方法从序列水平进行了水稻线粒体渗透性转换孔（PTP）相关基因家族ant、vdac的表达模式和潜在功能的分析。通过生物信息学分析，鉴定出水稻基因组具有3个完整的ant基因和8个完整的vdac基因以及一个尚未经过实验证实的vdac嵌合基因。对水稻、玉米

2、和拟南芥的9个ant基因进行的系统发育分析结果表明：在动物中直接参与Cyp-D对ANT的构象调控的第61位氨基酸在最大的ClusterI为异亮氨酸（I，Ile），而在相应的哺乳动物中该位点为Pro（Pro61），其余的ant基因在此位点则不同。分别来自水稻、玉米和拟南芥的16个vdac基因被分成明显的3个簇，只有簇3（VDACCluster3）是水稻特有的，包括两个成员：第一染色体9.6Mb处和第3染色体11.7Mb的vdac。对水稻vdac和ant进行正选择位点鉴定的结果表明：ant在PS67，PS202，PS253几个位点具有

3、显著性正选择，而vdac没有。对PTP相关基因家族ant、vdac的表达模式和系统发育的初步研究，为深入进行植物MPT及其相关功能的研究提供了一定的基础。关键词：水稻，线粒体渗透性转换孔，vdac，ant，系统发育中图分类号：S3111.引言基因扩增在高等植物中非常普遍。拟南芥全基因组的25,498个预测基因由11,000个基[1]因家族组成，其中由五个以上基因组成的基因家族占了全部基因的37.4%。而在水稻全基因组的37,544个预测的蛋白质编码基因（去除了转座元件类基因）里，21%属于多基因家[2]族。如果具有同源性的基因的分

4、歧是由物种形成（Speciation）造成的被称为直系同源（Orthologous）；如果它们分歧是由基因复制造成的则被称为并系同源（Paralogous）。同一基因家族的成员命运是多样性的：有的能够保持与祖先相同的功能，其他的成员则可能响应新的不同的刺激获得新功能。因此，在确定了某个感兴趣的基因家族后，还需要对其进行进化分析，即系统发育研究(Phylogenetics)。由于后基因组时代已经存在大量序列信息，并且获得新的序列信息也十分方便，系统发育分析已经成为分子生物学实验的指导和补充。在进行实验之前对相关基因进行各种生物信息学

5、的分析，大大减少实验的盲目性，进而可以提高实验的成功率，缩短实验周期。线粒体渗透性转换孔（PTP）的开放可迅速提高线粒体内膜对中、低分子量化合物的渗[3]透性，这种渗透性改变的过程被称为线粒体渗透性转换（MPT）。MPT是一个复杂的过程，受到多种诱导因子、调节因子、和抑制因子的调控。目前，对哺乳动物线粒体PTP研究得较为清楚，普遍认为，哺乳动物线粒体PTP是一个定位在内外膜接触位点的跨线粒体双层膜的超分子复合物，由外膜上的电压依赖性阴离子通道（VDAC）、内膜上的腺苷酸转[4]运蛋白(ANT)和基质中的亲环蛋白D(CyP-D)这3

6、类蛋白质组成了这个复合体的核心。迄今为止，人们对植物MPT与哺乳动物中经典的MPT无论是结构还是功能上存在的差异还[5]缺乏深入研究。杨玖英等初步证明水稻中也存在MPT。由于位于内外膜上的两类主要构1本课题得到国家“973”计划（“农作物杂种优势及其利用的分子基础”的子课题“细胞质雄性不育与育性恢复的分子机理”，批准号2001CB108806）的资助。-1-http://www.paper.edu.cn成蛋白ANT、VDAC均由基因家族编码，所以找出水稻基因组上所有的ant和vdac基因家族成员并进行初步分析对于深入进行水稻PTP

7、结构与功能的研究显得非常重要。通过生物信息学分析，鉴定出水稻基因组具有3个完整的ant基因和8个完整的vdac[6]基因以及一个尚未经过实验证实的vdac嵌合基因。其中仅仅1个ant基因（NCBIAccession[7]Number：D12637，chr02

8、29.8Mb

9、）和3个vdac基因（VDAC1：Y18104，chr09

10、11.8Mb

11、；VDAC2：AJ251563，chr05

12、26.4Mb

13、；VDAC3：AJ251563，chr01

14、22.6Mb

15、）曾经有过文献报道。并且，通过对这些vdac和ant基因及其在拟南芥、玉

16、米中的同源基因的系统发育分析，得到了一些有价值的结论。2.材料和方法2.1水稻ant、vdac同源基因的搜索从基于隐马尔科夫模型（HMMs:HiddenMarkovmodelprofiles）的蛋白质保守结构域数[8]据库Pfam（http://w