识别和分析植物基因组里的功能元件

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1、浙江大学生命科学学院博士学位论文识别和分析植物基因组里的功能元件——Z-DNA、看家基因、细胞壁合成相关蛋白的识别和分析姓名：周婵申请学位级别：博士专业：生物信息学指导教师：郝柏林;徐鹰20090710浙江火学博士学位论义摘要识别和刻画植物基因组中的各种功能元素是解读它们在植物中的功能的第一步，帮助我们从分子和细胞水平上进一步深入了解植物基因组，从而有可能有助于我们更好地利用植物资源为农业生产、生物能源等方面的研究做出贡献。在本论文中，我们将介绍在双子叶模式植物拟南芥和单子叶模式植物水稻中三种不同功能元件(Z-DNA构型序列、看家基因、细胞壁

2、合成相关蛋白／基因)的研究工作。在第一章绪论之后，分三章展述相关研究。第二章讲述Z-DNA在拟南芥和水稻基因组上的分布与功能的比较分析。左手螺旋Z-DNA是一种在能量上处于劣势的DNA结构，只在细胞的特定生理条件下才形成。目前已知Z-DNA可参与一系列的细胞活动，比如转录调控。我们比较了拟南芥和水稻基因组里Z-DNA的分布与功能，且观察到Z-DNA在水稻基因组里出现的频率是其在拟南芥基因组里出现频率的9倍。类似的情况也存在于其它单双子叶植物中。此外，Z-DNA显著富集在拟南芥基因的编码区域，但是在水稻的高GC区域。基于这些分析，我们推测：在拟

3、南芥里，Z-DNA可能参与调控转录因子、抑制子、翻译抑制子、琥珀酸脱氢酶、谷胱甘肽二硫化物还原酶的表达；在水稻里Z-DNA可能影响到囊泡基因、核小体基因、参与乙醇转运活动的基因、维持干细胞的基因、分生组织发展的基因、生殖结构发育的基因的表达水平。第三章讲述从全基因组水平去寻找和刻画水稻和拟南芥里的看家基因。看家基因是那些在不同的组织细胞里持续表达以维持细胞基本功能的基因。用芯片数据，我们分别在水稻和拟南芥里找出1928和1411个看家基因。所找到的水稻看家基因主要属于五类功能类别：结合因子、酶类、转运子、转录因子和结构分子；而拟南芥里的看家基

4、因则主要属于以下五类：酶类、结合因子、结构分子、转运子和转录调控子。此外，我们还观察到一些有关看家基因的有趣现象，包括(a)在这两个基因组上看家基因的编码序列长度显著地比其它基因的平均编码序列长度短；(b)在水稻和拟南芥里，它们的平均基因长度显著比其它基因短；(c)水浙江大学博{：学位论文摘要稻看家基因的平均外显子长度显著比其它基因短，而拟南芥看家基因的比其它基因的外显子个数要少；(d)在两个植物中，看家基因的内含子显著比其它基因长。看家基因有较短的编码序列可能是为提高它们的转录效率自然选择造成的。此外，我们还发现所识别的看家基因比其它基因有

5、更多的表达序列标签以及其有更广泛的组织表达谱。第四章讲述通过蛋白质相互作用数据来识别与植物细胞合成相关的新蛋白。植物细胞壁主要由木质素和纤维素组成，是未来生物燃料生产最富有的生物物质来源。在此，我们报道如何利用蛋白相互作用数据和已知的细胞壁合成相关(CWSR)蛋白通过计算方法来预测新的细胞壁合成相关蛋白。我们在拟南芥里预测了100个新的候选CWSR蛋白。其中有7个由现有的CWSR数据库所证实，有46个有其它的独立证据，从而认为是相对可靠的预测结果。在这46个预测的新CWSR蛋白里，基于蛋白结构域构造、系统发育分析和现在的注释，我们预测出其中3

6、3个CWSR蛋白在细胞壁合成中的特定功能角色。有趣的是，尽管预测用的571个已知CWSR种子蛋白仅涉及细胞壁合成过程6个主要部分中3个，但预测的CWSR蛋白还涉及了两外其它两个部分。这也显示了用蛋白相互作用方法来预测新的CWSR蛋白的有力之处。关键词：Z-DNA、看家基因、细胞壁合成、生物能源、拟南芥、水稻浙江人学博{：学位论文AbstractIdentificationandcharacterizationoffunctionalelementsiSthemostfundamentalsteptounderstandtherolesvari

7、ousfunctionalelementsplayinplantgenomics．IthelpUStoknowmuchmoreabouttheplantgenomicsinthemolecularandcellularlevels，thenhencemayimproveUStomakebetteruseoftheplantbiomassinotherapplications，suchasagriculture，biofuel，etc．Inthisdissertation，wepresentedthestudiesforthreediffere

8、ntfunctionalelements(i．e．，Z—DNA，housekeepinggenesandcell—wallsynthesisrelated(CWSR