十字花科植物PEBP基因家族的分子进化

近年来植物基因组测序物种数量的指数增长, 为我们对植物环境适应性状的遗传和变异的全面理解提供了保障。磷脂酰乙醇胺结合蛋白(phosphatidylethanolamine-binding protein, PEBP)在植物的开花转变和株型建立中起着重要作用, 一直是植物生物学研究关注的热点领域之一。然而对该家族并没有利用新近测序的基因组数据进行比较基因组分析, 制约了对其在分子水平上的进化研究。为了确定PEBP基因家族的分子进化机制, 本研究利用生物信息学方法开展了7种十字花科植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)、琴叶拟南芥(A. lyrata)、小鼠耳芥(A. pumila)、亚麻荠(Camelina sativa)、甘蓝(Brassica oleracea)、白菜(B. rapa)和油菜(B. napus)的PEBP基因家族成员的全基因组鉴定、结构特征和比较进化分析。从7个物种中共鉴定出91个PEBP基因, 系统进化分析表明它们分属5个亚家族: MFT、FT/TSF、TFL1、CEN和BFT。基因结构分析发现甘蓝、白菜和油菜的CEN基因内含子明显比其余4个物种的内含子长。蛋白结构域分析表明MFT比其他4个亚家族成员少了一个motif 2, TFL1比其他亚家族多了motif 8。选择压力分析发现7个物种PEBP同源基因均受到较强的纯化选择, 其中TFL1亚家族受到的纯化选择最弱。共线性分析表明十字花科植物PEBP基因家族随古代多倍体事件发生不同程度的扩张, TSF在甘蓝、白菜和油菜中丢失。非生物胁迫下, 在拟南芥中过量表达小鼠耳芥的一个MFT基因, 转基因拟南芥种子的萌发率明显低于野生型, 暗示MFT基因在调控种子萌发上的功能保守。本研究为深入研究十字花科植物PEBP基因的进化特征和生物学功能奠定了基础。     

12个物种miR-302基因簇的生物信息学分析

很多microRNA (miRNA)基因在基因组上聚集排列形成miRNA基因簇.miRNA基因簇在进化上较为保守,有其特殊的生物学意义.miR-302基因簇在胚胎干细胞中特异表达,对胚胎干细胞的自我更新和多潜能维持有重要的作用.本文采用miRBase数据库查询和BLAST同源搜索方法共搜寻并分析了12个物种的miR-302基因簇.生物信息学分析表明,这些物种miR-302基因簇均位于LARP7蛋白基因的内含子区,但转录方向与LARP7基因转录方向相反.序列相似性分析显示,同一物种miR-302簇成员间以及不同物种相应miR-302簇成员间相似性均较高.进化分析表明,基因复制可能是miR-302基因簇进化的主要驱动力.     

大豆GeBP转录因子基因家族的生物信息学分析

GeBP转录因子调控植物表皮毛的生长发育,并且参与控制植物叶片的发育。该文利用生物信息学方法,在大豆全基因组范围内搜索GeBP基因家族,并从氨基酸理化性质、基因结构、染色体的物理分布、系统进化、序列比对、功能结构域、组织表达情况等基本特征方面对GmGeBP基因家族进行分析。结果表明:(1)共获得9个GmGeBP转录因子基因家族成员,其中仅2个基因含有内含子,且都只有1个内含子,表明该家族成员基因构造比较简单但稳定。(2)GmGeBP编码的蛋白分子量为39.65~49.24 kD,理论等电点为4.65~9.08;这些成员基本上都是酸性氨基酸,属于亲水性、不稳定蛋白。(3)这9个基因不均匀的分布于7条染色体上,10和20号染色体上分别分布2个GeBP基因,3、5、13、15、19号染色体上各分布1个基因。(4)系统进化分析表明,大豆与拟南芥对应的GeBP成员亲缘关系较近,分别聚类到4个分支,而与水稻的距离较远。(5)结构域分析表明,9个GmGeBP成员都包含DUF573结构域,推测该部分在GeBP转录因子中很可能是与靶标基因顺式作用元件互作的结构域。(6)通过分析大豆GmGeBP转录因子基因家族的组织表达,发现不同基因在大豆不同组织的表达量不同,具有一定的特异性。该文对大豆GeBP转录因子基因家族的分析和鉴定为进一步研究大豆表皮毛发育的分子作用提供了理论基础。     

苹果DREB转录因子家族全基因组鉴定与分析

DREB转录因子属于AP2/ERF转录因子家族,能够与DRE/CRT顺式作用元件特异性结合,调控与逆境应答基因的表达,因而在植物应对低温、干旱、高盐等逆境胁迫中发挥重要作用。该研究利用苹果全基因组数据,通过生物信息学手段鉴定苹果DREB转录因子家族成员,并分析DREB转录因子家族保守域特点与功能及表达情况。结果表明:从苹果全基因组中共鉴定出60个DREB转录因子家族成员,与拟南芥和水稻相比基本一致,通过引入拟南芥DREB基因进行系统发生分析,进一步可以将其细分为6个亚组;结构域和保守元件分析表明,DREB基因家族含有一个AP2保守结构域;染色体定位表明,苹果DREB基因分布于11条染色体上,部分基因存在串联复制现象;基因结构分析显示,该亚家族基因不含内含子。利用同源拟南芥RNA-Seq数据分析结果表明,DREB转录因子家族对低温、ABA调节等非生物胁迫具有调控作用,同时在DREB亚家族中每个亚组响应不同的非生物胁迫;通过分析DREB基因在不同组织中的表达情况,结果显示DREB基因在植物根部中的表达量最强,其次是叶。     

拟南芥、水稻和杨树JMJC家族全基因组分析

采用HMMER与BLAST相结合的方法确定拟南芥,水稻和杨树三种模式植物全基因组JMJC蛋白基因个数分别为21,20,24,并对其染色体定位,基因结构,保守功能域进行了系统分析,在系统进化分析基础上,将JMJC家族分为11个亚家族,内含子外显子结构分析与MPSS表达模式分析结果也进一步支持了进化关系研究.本研究有助于揭示植物JMJC基因家族的进化历史,为后续JMJ基因家族的功能提供线索,为进一步研究植物JMJC基因家族提供理论基础。     

水稻SDG736抑制拟南芥FLC表达调控开花时间

130～150个氨基酸组成SET (Su (var) 3-9, Enhancer-of-zeste, Trithorax)结构域构成了组蛋白赖氨酸甲基转移酶特异性催化位点。SET结构域蛋白在进化上高度保守,广泛调控植物的生长发育。进化分析结果显示水稻SET结构域家族成员可分为7个不同的亚家族(KMT1, KMT2, KMT3, KMT6, KMT7, S-ET和RMT)。KMT3亚家族可能涉及开花调控或花的发育,其中包含5个拟南芥基因和5个水稻同源基因。拟南芥SDG4通过H3K4/K36甲基化的活性调控花发育,结果表明水稻同源基因SDG736超量表达,可促进拟南芥开花。对拟南芥开花途径相关的基因进行定量分析显示,超量表达的SDG736拟南芥植株中FLC基因表达量降低,而SCO1基因的表达量增加。     

普通小麦中一氧化氮相关因子(TaNOA)编码基因的克隆和分子生物学分析

一氧化氮是动植物体内重要的信号分子。本研究利用同源克隆技术从六倍体普通小麦中获得一个一氧化氮相关因子(TaNOA)编码基因的全长基因组和cDNA克隆。该基因具有13个外显子和12个内含子,与拟南芥以及水稻中同源基因结构相似。根据cDNA推导的氨基酸序列与拟南芥AtNOA1的序列一致性达60%以上,具备P-环GTPaseG4-G5-G1-G2-G3的排列特征和保守的序列。对其中2个内含子的测序分析表明在六倍体小麦中TaNOA至少有3个成员。进一步用中国春小麦缺体-四体材料将这3个TaNOA基因成员分别定位在第六同源群的6A、6B和6D染色体上,本研究中获得的成员定位于6B染色体上,因此将其命名为TaNOA-B1。原生质体表达实验表明,TaNOA-B1可能定位在线粒体中。TaNOA基因在小麦根、叶片中表达较高,在幼穗和小花中有少量表达,茎中几乎检测不到表达。TaNOA的转录本水平还因脱落酸或盐处理而上升,表明它可能参与小麦对非生物胁迫的反应。本研究为进一步克隆六倍体小麦中TaNOA的其他成员及研究该基因在小麦中的功能奠定了基础。     

水稻ECT基因家族的全基因组研究

真核生物mRNA转录后修饰可调控许多基因的遗传信息,植物m⁶A甲基化研究正成为关注的新热点。m⁶A结合蛋白 (m⁶A readers) 调节m⁶A修饰的特异性,通常具有YTH (YT521-B homology) 结构域,在拟南芥中被命名为ECT结构域 (evolutionarily conserved C-terminal region ECT domain) 。目前ECT基因已在拟南芥和水稻等植物中检测到,但该基因家族在水稻中的成员及生物学功能还缺乏研究。本研究通过水稻ECT基因家族的全基因组分析,鉴定出12个OsECT基因,具有1个保守的基序,多位于蛋白质氨基酸序列C-端。共线性分析表明,在水稻基因组内OsECT-c与OsECT-e发生了重复事件,在物种间ECT同源基因对可能是在双子叶和单子叶植物分化后形成。同源基因对OsECT的Ka/Ks < 1,表明OsECT基因家族在进化过程中可能经历了较强的纯化选择压力。表达模式分析显示,OsECT-b、OsECT-c、OsECT-e和OsECT-j在水稻生长初期各个组织均保持较高的表达水平,OsECT-g在干旱处理后表达量显著下调。因此,OsECT基因在水稻生长发育和逆境胁迫中可能发挥着重要作用。本研究为今后OsECT基因在水稻的节水抗旱机制研究和相关抗逆育种提供了重要的理论基础。     

葡萄SAUR基因家族鉴定与生物信息学分析

为了研究葡萄早期应答生长素基因SAUR(Small auxin-up RNA)家族,本研究利用全基因组信息鉴定了葡萄64个SAUR家族成员,并对SAUR家族成员的基因结构、氨基酸特性、染色体定位、基因进化、基因功能以及组织表达进行分析。结果表明,葡萄全基因组上64个SAUR家族成员在19条染色体中的8条染色体上呈现簇状分布,主要分布在3、4号染色体上,其中3号染色体上数量最多为37个;葡萄SAUR家族基因长度较短,有59个基因是无内含子基因;蛋白理化特征分析显示,多数SAUR蛋白呈碱性,结构稳定性较差,蛋白脂溶指数高,呈亲水性;基因功能预测结果表明,葡萄SAUR基因主要担当生长因子、结构蛋白、转录、转录调控以及响应胁迫应答和免疫应答6种功能,其中更多参与生长调节功能;根据系统进化分析将其分为10个分支,另外不同组织表达谱的分析结果表明SAUR基因家族成员具有不同的组织表达模式,对于非生物胁迫具有一定的调节作用。这些信息为葡萄SAUR基因家族功能分析奠定了一定的工作基础。     

番茄中Rpi-blb2同源基因的挖掘与鉴定

番茄晚疫病是番茄生产中的主要病害之一,经常会造成较大的经济损失。晚疫病生理小种的变异和进化常会导致番茄品种原有的遗传抗性丧失,因此不断挖掘新的抗性基因,改良番茄晚疫病抗性是番茄抗病育种的长期任务。该研究采用BLAST同源比对的方法,以马铃薯野生近缘种的晚疫病抗性蛋白序列Rpi-blb2为种子序列,在NCBI蛋白质序列数据库中检索得到11条番茄蛋白质序列,这些序列与种子序列相似性为78%~83%,属于番茄疾病抗性蛋白家族,并对该家族成员进行了基因结构、基因定位、序列保守结构域和进化关系等分析。结果表明:该家族中10条序列分布在第Ⅵ条染色体上,1条分布在第Ⅴ染色体上;6号染色体上的10序列呈现2个抗病基因簇分布,在染色体上分别占据2个和3个基因位点;10条同源蛋白是Rpi-blb2的共同垂直同源蛋白,但不具有平行同源关系,大多数成员定位于细胞质。按照蛋白质保守结构域和基因定位的不同可分为三类,第一类共4条系列,包含有DUF3542和NB-ARC两个保守结构域特征序列;第二类共6条序列,与马铃薯Rpi-blb2蛋白一样,仅包含NB-ARC保守结构域特征序列,在这2类蛋白序列的NB-ARC结构域均位于序列中部;第三类(仅包含XP_004239406.1)虽然也具有与第一类蛋白相似的DUF3542和NB-ARC结构域,但在结构域两端的非保守区序列较短,且位于5号染色体上,因此将其单独归为1类。前两类蛋白成员相应的基因具有1~2个内含子,第3类蛋白不含内含子。该研究结果为利用生物技术选育番茄抗性品种提供了理论基础。     

Sequencing, expression, and genetic characterization of the Helicobacter pylori ftsH gene encoding a protein homologous to members of a novel putative ATPase family.

In this study, we isolated and sequenced a Helicobacter pylori gene, designated ftsH, coding for a 632-amino-acid protein which displayed striking similarity throughout its full length to FtsH proteins identified in Escherichia coli, Lactococcus lactis, and Bacillus subtilis. H. pylori FtsH also possessed approximately 200-amino-acid region containing a putative ATPase module which is conserved among members of the AAA protein family (AAA, ATPase associated with diverse cellular activities). The H. pylori ftsH product was overexpressed in E. coli and reacted immunologically with an anti-E. coli FtsH serum (T. Tomoyasu, K. Yamanaka, K. Murata, T. Suzaki, P. Bouloc, A. Kato, H. Niki, S. Hiraga, and T. Ogura, J. Bacteriol. 175:1352-1357, 1993). FtsH was also shown to be present in the membrane fraction of H. pylori, suggesting that it is membrane bound. Disruption of the ftsH gene led to the loss of viability of H. pylori, demonstrating that this gene is essential for cell growth. Overproduction of both H. pylori FtsH and E. coli FtsH together tremendously reduced the growth rate of the E. coli host cells, whereas the growth of the E. coli cells carrying the wild-type E. coli ftsH operon on the chromosome was not significantly affected by overproduction of H. pylori FtsH itself. This result suggests that the abnormal growth of cells results from interaction between H. pylori FtsH and E. coli FtsH.     

The ftsH gene of the wine bacterium Oenococcus oeni is involved in protection against environmental stress

The wine bacterium Oenococcus oeni has to cope with harsh environmental conditions, including an acidic pH, a high alcoholic content, nonoptimal growth temperatures, and growth-inhibitory compounds such as fatty acids, phenolic acids, and tannins. We describe the characterization and cloning of the O. oeni ftsH gene, encoding a protease belonging to the ATP binding cassette protein superfamily. The O. oeni FtsH protein is closest in sequence similarity to the FtsH homologue of Lactococcus lactis. The O. oeni ftsH gene proved to be stress-responsive, since its expression increased at high temperatures or under osmotic shock. O. oeni FtsH protein function was tested in an Escherichia coli ftsH mutant strain, and consistent with the O. oeni ftsH gene expression pattern, the O. oeni FtsH protein provided protection for the E. coli ftsH mutant against heat shock. O. oeni and Bradyrhizobium japonicum FtsH proteins also triggered E. coli resistance to wine toxicity. Genes homologous to O. oeni ftsH were detected in many other lactic acid bacteria found in wine, suggesting that this type of gene constitutes a well-conserved stress-protective molecular device.     

FtsH is involved in the early stages of repair of photosystem II in Synechocystis sp PCC 6803

When plants, algae, and cyanobacteria are exposed to excessive light, especially in combination with other environmental stress conditions such as extreme temperatures, their photosynthetic performance declines. A major cause of this photoinhibition is the light-induced irreversible photodamage to the photosystem II (PSII) complex responsible for photosynthetic oxygen evolution. A repair cycle operates to selectively replace a damaged D1 subunit within PSII with a newly synthesized copy followed by the light-driven reactivation of the complex. Net loss of PSII activity occurs (photoinhibition) when the rate of damage exceeds the rate of repair. The identities of the chaperones and proteases involved in the replacement of D1 in vivo remain uncertain. Here, we show that one of the four members of the FtsH family of proteases (cyanobase designation slr0228) found in the cyanobacterium Synechocystis sp PCC 6803 is important for the repair of PSII and is vital for preventing chronic photoinhibition. Therefore, the ftsH gene family is not functionally redundant with respect to the repair of PSII in this organism. Our data also indicate that FtsH binds directly to PSII, is involved in the early steps of D1 degradation, and is not restricted to the removal of D1 fragments. These results, together with the recent analysis of ftsH mutants of Arabidopsis, highlight the critical role played by FtsH proteases in the removal of damaged D1 from the membrane and the maintenance of PSII activity in vivo.     

Escherichia coli requires the protease activity of FtsH for growth

FtsH protease, the product of the essential ftsH gene, is a membrane-bound ATP-dependent metalloprotease of Escherichia coli that has been shown to be involved in the rapid turnover of key proteins, secretion of proteins into and through the membrane, and mRNA decay. The pleiotropic effects of ftsH mutants have led to the suggestion that FtsH possesses an ATP-dependent chaperone function that is independent of its protease function. When considering FtsH as a target for novel antibacterials, it is necessary to determine which of these functions is critical for the growth and survival of bacteria. To address this, we constructed the FtsH mutants E418Q, which retains significant ATPaseactivity but lacks protease activity, and K201N, which lacks both protease and ATPase activities. These mutants were introduced into an E. coli ftsH knockout strain which has wild-type FtsH supplied from a plasmid under control of the inducible araBAD promoter. Since neither mutant would complement the ftsH defect produced in the absence of arabinose, we conclude that the protease function of FtsH is required for bacterial growth.     

番茄金属蛋白酶基因LeftsH6的克隆和分子特性

从热处理的番茄叶cDNA文库中分离到一个全长为2213-bp的fisH基因。该基因包括一个2019-bp的读码框,推测的蛋白前体定位到叶绿体中,序列中存在AAA结构域和Zn^2＋结合结构域等已知的金属蛋白酶PtsH家族的特征结构域。在已克隆的基因中,该ftsH与拟南芥ftsH6最近源,被命名为LefisH6（Lycopersicon esculentum filamentation temperature-sensitive H6）。体外蛋白酶活性分析结果表明,纯化的FtsH具有蛋白水解活性,能降解酪蛋白但不降解BSA;突变的FtsH（Zn^2＋结合结构域中的谷氨酸Glu^472突变为谷氨酰胺Gln）失去了体外蛋白酶活性。Southern杂交结果表明,该基因在番茄基因组中是单拷贝;Northern和Western杂交均表明该基因表达被热诱导,但其表达不被低温、干旱、盐胁迫、高光等胁迫调节。首次证明了高等植物中存在能被热诱导表达的ftsH基因。