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《南极鱼抗冻蛋白功能和进化研究.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、南极鱼抗冻蛋白功能和进化研究在6500万年前的新生代时期,南极大陆开始缓慢移动,同时其温度逐渐降低,到大约2000万年前温度降到0℃以下。随着海水温度的降低,多数鱼类由于无法适应而灭绝[1]。部分鱼类发生了适应性进化,适应了极端寒冷环境而生存下来,形成了现在的南极鱼类。据统计,占地球海洋总面积约10%的南大洋拥有的鱼类包括50个科,322个种,仅占地球鱼类总数的1.3%。其中硬骨鱼南极鱼亚目(Notothenioids)鱼类达120多种,占南大洋所有鱼类的46%,而在南极洲周围海域南极鱼亚目比例高达90%[2]。南极鱼常年生活在稳定的、极端寒冷和氧气充足
2、的南极海域中,在生化和生理功能等方面发生了许多适应性改变和新的性状以适应南极的极端环境,其中抗冻蛋白是南极鱼适应极端寒冷环境的最重要特征之一[3-4]。20世纪60年代,科学家首次在南极冰鱼(Nototheniidae)血液中发现抗冻糖蛋白(antifreezeglycoprotein,AFGP)[4]。目前已知大多极地鱼类和冷水鱼体内都可以产生抗冻蛋白(antifreezeprotein,AFP)或抗冻糖蛋白,这些蛋白质可以把鱼类体液的冰点降低,从而在环境水域冰点之下仍能保持体液的流动性,避免冷冻损伤的发生[5]。近年来研究发现,其他极地物种包括昆虫、
3、植物、微生物也可以产生抗冻蛋白[6]。随着对抗冻蛋白认识的不断深入,科学家渐渐把抗冻蛋白应用在农业、医药、食品和工业等多个领域。1南极鱼类抗冻蛋白分子特征和适应性进化6目前至少1种抗冻糖蛋白和4种抗冻蛋白已经被鉴定出来,它们分布在多种分类地位相差很远的极地鱼类中。这些抗冻蛋白的氨基酸序列和空间结构都不相同,但都具有结合冰晶并抑制冰晶生长的功能。最初在南极冰鱼(Nototheniidae)中发现AFGP,由一个糖三肽(Thr-Ala-Ala)基本结构单位重复组成,Thr残基上可以连接双糖基团(β-D半乳糖基,1,3-α-N-乙酰氨基半乳糖),糖基上发生化学
4、修饰会降低AFGP的抗冻活性。鱼类可以合成一系列大小不一的AFGP分子,由不同数量的糖三肽单位聚合而成。根据糖三肽单位重复数目不同,AFGP可分为8个类别,重复数为4~50,分子量从2.7~32kD[7]。鱼类的AFP也根据氨基酸组成和结构差异进行分类。I型抗冻蛋白(AFPI)存在于北极和北大西洋的扁鱼(Pleuronectespp.)和杜父鱼(Myoxoce-phalusspp.)中,是3.5~4.5kD的小分子肽。AFPI分子中富含丙氨酸(Ala),形成一个几乎规范的alpha螺旋结构[8]。II型抗冻蛋白(AFPII)是分子量1417kD的多肽,富
5、含半胱氨酸(Cys),分布范围较窄,目前仅在大西洋鲱(Clupeaharengus)和美绒杜父鱼(Hemitripterusamericanus)等几种鱼中发现AFPII[9]。III型抗冻蛋白(AFPIII)是研究最为广泛的一种抗冻蛋白,主要分布在极地海域和大西洋的几种绵鳚亚目(Zoarcidae)的鱼中,包括断线真狼绵鳚(Lychodyichthysdearborni)和北极狼绵鳚(Locodespolaris)[10]。目前已经从南极大头鳗鲡(Lycodichthysdearborni)的血浆中分离出8种AFPIII成分,包括3种主要成分(RD1、
6、RD2、RD3)和5种少量成分[11-12]。AFPIV是从多棘床杜父鱼(Myoxocephalusoctodecimspinosis)血清中分离到的一种抗冻蛋白(LS12)[13],分子量约12.3kD,含108个氨基酸残基,其中17%是谷氨酰胺,N末端被焦谷氨酰基团所封闭。AFPIV广泛分布于硬骨鱼类中,具有降低冰点和冰晶修饰等AFP的特征性功能[13]。抗冻蛋白的进化是南极鱼寒冷适应的一个重要机制,其中南极鱼的AFGP从头进化机制是近年来的重要发现。南极鱼类的AFGP基因由功能上不相关的胰蛋白酶原基因(trypsinogen)演化而来。trypsi
7、nogen第一内含子和第二外显子交接处的编码Thr−Ala−Ala的9核苷酸序列在5′端微卫星DNA序列的引导下扩增,首先形成一个trypainogen−AFGP中间分子,随后经历了大部分trypsiongen编码区序列缺失而形成独立的AFGP编码基因,并进一步通过分子内大规模扩增形成一个庞大的AFGP基因家族[14]。北极鱼类的AFGP蛋白在氨基酸序列上与南极鱼类的AFGP几乎没有区别,但经过研究却发现北极鱼类的AFGP蛋白在基因进化上与trypsinogen毫无关系[4]。有研究发现来自于南极大头鳗鲡的AFPIII基因起源于一个唾液酸合成酶(SAS)
8、基因拷贝[15]。IV型AFP与其他类型的鱼类AFP相似度较低,被鉴定并归类为新
