芝麻MATE基因家族的全基因组鉴定与表达分析

植物为了维持其生命系统的正常运转,需要对各种代谢产物和毒素进行转运和排出.多药与毒性化合物排出转运蛋白(multidrug and toxic compound extrusion,MATE)在多种底物和毒素的运输中起到重要作用.本研究利用生物信息学手段对芝麻MATE基因家族进行了全基因组分析,鉴定得到67个MATE基因,分布于全部13条染色体上,亚细胞定位预测表明这些基因主要位于质膜上.串联复制和全基因组复制是芝麻MATE基因家族扩增的主要动力.比较基因组学分析发现在芝麻和拟南芥中具有许多共线性的MATE基因,且大部分串联复制SiMATE基因产生于芝麻和拟南芥分化之后.系统进化分析可将芝麻MATE成员分为4个亚家族,大部分相似功能的己知植物MATE成员被聚在同一分枝中,进化树中关系较近的芝麻MATE成员往往具有相似的基因结构和保守基序.基因表达分析表明一半以上的SiMATE基因具有组织表达特异性.这些结果为芝麻MATE基因功能的研究提供了重要参考.     

芝麻MATE基因家族的全基因组鉴定与表达分析

植物为了维持其生命系统的正常运转,需要对各种代谢产物和毒素进行转运和排出.多药与毒性化合物排出转运蛋白(multidrug and toxic compound extrusion,MATE)在多种底物和毒素的运输中起到重要作用.本研究利用生物信息学手段对芝麻MATE基因家族进行了全基因组分析,鉴定得到67个MATE基因,分布于全部13条染色体上,亚细胞定位预测表明这些基因主要位于质膜上.串联复制和全基因组复制是芝麻MATE基因家族扩增的主要动力.比较基因组学分析发现在芝麻和拟南芥中具有许多共线性的MATE基因,且大部分串联复制SiMATE基因产生于芝麻和拟南芥分化之后.系统进化分析可将芝麻MATE成员分为4个亚家族,大部分相似功能的己知植物MATE成员被聚在同一分枝中,进化树中关系较近的芝麻MATE成员往往具有相似的基因结构和保守基序.基因表达分析表明一半以上的SiMATE基因具有组织表达特异性.这些结果为芝麻MATE基因功能的研究提供了重要参考.     

Hox基因及其进化机制的研究进展

Hox基因是生物体内一类重要的发育调控基因家族.Hox基因高度保守,通常成簇存在,编码一类转录因子,在个体胚胎发育中起着重要的调控作用.近期研究表明,基因复制、基因序列变异及选择压力对Hox基因簇的产生和进化有重要作用,同时调节元件和协同进化对Hox基因的进化也有重要影响.     

甘蓝型油菜MADS-box基因家族的鉴定与系统进化分析

MADS-box基因家族参与调控开花时间、花器官分化、根系生长、分生组织分化、子房和配子发育、果实膨大及衰老等植物生长发育的重要过程。基于甘蓝型油菜(Brassica napus)基因组测序数据,利用生物信息学方法对甘蓝型油菜MADS-box基因家族进行鉴定和注释及基因结构与系统进化分析。结果显示,在甘蓝型油菜中鉴定出307个MADS-box基因家族成员,根据进化关系可将其分为两大类型,I型(M-type)包含α、β、γ三个亚家族,II型(MIKC-type)包括MIKCC和MIKC*两个亚家族,MIKCC可进一步分为13个小类;甘蓝型油菜A基因组染色体上分布的MADS-box基因多于C基因组。在基因结构上,MIKC-type亚家族基因序列普遍比M-type长且含有较多的外显子;M-type亚家族蛋白序列中的motif数量为2–5个,MIKC-type亚家族蛋白序列中平均含有7个motif。拟南芥(Arabidopsis thaliana)与甘蓝型油菜MADS-box基因共线性分析结果显示,全基因组复制事件对MADS-box基因家族尤其是MIKC亚家族的扩张起重要作用;MIKC亚家族基因在进化过程中受到的选择压力约为M-type的2倍,这表明MIKC-type亚家族在进化过程中被选择性保留。     

趋化因子及其受体基因家族的系统进化分析

通过分析现有的趋化因子和趋化因子受体的氨基酸序列,用距离法和最简约法构建了聚类图,探讨了趋化因子和趋化因子受体基因家族的系统演化特征。可见基因家族成员的分化早于脊椎动物的分化。不同物种的同一种基因的聚类关系能较好地反映物种经因子受体的进化速度不同,其中ＣＸＣＲ４的进化速率最低。趋化因子和趋化因子受体可能都起源于少数几个原始的基因,病毒编码与寄主相似的趋化因子或受体是进化过程中分子模拟的结果。     

植物nrDNA ITS致同进化不完全现象及其进化意义

nrDNA是个多基因家族,在基因内往往有成千上万的拷贝,但通常只包含有一种序列,即所谓致同进化.因此,nrDNA ITS被广泛应用于植物系统与进化研究当中.近年来,部分研究发现,一些植物类群的基因组内nrDNA ITS也存在着较高的多样性,即致同进化不完全现象.该文就裸子植物和被子植物中nrDNA ITS存在致同进化不完全现象的原因和特点,nrDNA ITS假基因的识别,以及其进化意义等进行了综述.     

蒺藜苜蓿多聚半乳糖醛酸酶基因家族的全基因组分析

多聚半乳糖醛酸酶(Polygalacturonases,PGs)是一种果胶水解酶,参与果实成熟、器官脱落、花粉成熟等多个植物发育过程。采用相似性比对和结构域搜索方法,从蒺藜苜蓿基因组中共鉴定出74个MtPG基因。根据系统进化关系将其分为6个亚家族,分别包含9、7、4、11,18和25个MtPG基因家族成员。染色体定位分析发现,MtPG基因在蒺藜苜蓿的8条染色体上呈现不均匀分布,每条染色体上分布有2-16个MtPG基因;同时,基因组复制分析结果显示,蒺藜苜蓿的PG基因家族成员之间存在大量的基因复制。最后,通过蒺藜苜蓿的高通量测序数据分析发现,MtPG基因家族广泛地在根部、结瘤、叶片、芽,心皮和花等组织中表达。根据它们在不同组织中表达水平,将31个MtPG基因聚类为4组,分别探讨了四组基因在蒺藜苜蓿组织器官分化中表达模式,重点解析了它们在花器官发育以及根部组织分化中可能的调控机制,这将为进一步研究蒺藜苜蓿MtPG基因家族成员的基因功能提供了理论基础。     

雷蒙德氏棉HSP70基因家族的进化分析及其同源基因在陆地棉中的表达分析

热激蛋白70家族(HSP70)是一类在植物中高度保守的分子伴侣蛋白,在细胞中协助蛋白质正确折叠。文章利用隐马可链夫模型(HMM)在雷蒙德氏棉(Gossypium raimondii L.)全基因组范围内进行HSP70基因家族成员进化分析,共得到30个HSP70家族成员。利用生物信息学对雷蒙德氏棉HSP70基因的结构、染色体分布、基因倍增模式以及系统进化进行分析,结果表明,HSP70基因家族根据亚细胞定位结果可分为不同的基因亚家族,各亚家族中HSP70基因具有相对保守的基因结构;染色体片段重复和串联重复是雷蒙德氏棉HSP70基因家族扩增的主要方式。通过对不同物种的HSP70基因家族进行系统进化分析可知,HSP70亚组的分化发生在单细胞植物形成前,且细胞质型HSP70成员大量扩增。比较陆地棉棉纤维发育不同时期的深度测序表达谱,发现HSP70基因可能参与棉纤维的生长发育。本研究结果有助于了解棉属植物HSP70基因家族的功能,以期为深入研究棉纤维发育过程中的分子调控机理提供基础。     

裸子植物中光敏色素PHY-PAS1 结构域的适应性进化

光敏色素是一类红光/远红光受体, 在植物种子萌发到成熟的整个生长发育过程中均起重要的调节作用。光敏色素PHYPAS1 结构域存在于光敏色素基因家族的所有成员中, 对调节发色团的光谱特性和光信号转导非常关键。光敏色素基因家族通过基因重复产生, 而基因重复可能与物种形成有关。PHYP基因是裸子植物光敏色素基因家族发生第1次重复后产生的, 并且以单拷贝形式存在。为了研究不同裸子植物PHYP基因编码蛋白的PHY-PAS1结构域在进化过程中是否受到相同的选择压力以及是否发生了适应性进化, 该研究利用分支模型、位点模型以及分支-位点模型对裸子植物31条PHYP基因序列编码蛋白的PHY-PAS1结构域所受到的选择压力进行了分析。结果表明, 在由PHY-PAS1结构域序列构建的系统树中, 多数分支处于强烈的负选择压力下 (w<1); 有14个分支处于正选择压力下 (w>1), 其中13个分支发生在属内种间; 与之相比, 在较为古老的谱系中相对缺少这种正选择压力。     

分析水稻APETALA2类基因的系统发育和表达模式

多基因家族经历着生与死的进化并因此有助于生物的创新性进化。APETALA2类基因属于AP2转录因子家族中euAP2分支。该类基因具有特征性基元,并存在于蕨类植物、裸子植物和被子植物中。系统发育分析表明这类基因经历了生与死的进化。原位杂交和RT-PCR结果表明水稻的5个APETALA2类基因在表达模式上既是冗余又是不同的。根据基因系统发育树和表达模式讨论了这些基因的功能。     

金鱼ABC转运蛋白基因家族成员鉴定及分析

腺苷三磷酸结合盒转运蛋白(ATP-binding cassette transporter,ABC transporter)基因家族在原核生物和真核生物中广泛存在,该家族蛋白能够利用ATP裂解产生的能量将多种底物转运到膜上,参与多种生物过程,如营养摄入、细胞解毒、脂质稳态、信号转导、病毒防御以及抗原呈递等。目前,鱼类中,只在斑马鱼、斑点叉尾鮰和鲤鱼等少数鱼类中对该基因家族进行了系统的研究,关于金鱼ABC转运蛋白基因家族的详细分析,未见报道。本研究中,我们利用三代结合二代测序技术构建的金鱼转录组参考基因集数据,鉴定出55个ABC转运蛋白基因,通过系统进化分析将它们分为8个亚家族(A^H)。即金鱼ABC转运蛋白基因是由10个ABCA、14个ABCB、13个ABCC、5个ABCD、1个ABCE、4个ABCF、7个ABCG和1个ABCH组成。同时,我们将金鱼与斑马鱼、斑点叉尾鮰和鲤鱼等物种ABC转运蛋白基因家族成员的数目进行比较分析,推测硬骨鱼类特异的第3次全基因复制(3R-WGD)和谱系特异的第4次全基因组复制(4R-WGD)对金鱼该基因家族成员数目的影响。本研究结果为金鱼ABC转运蛋白基因功能的研究提供了理论依据。     

脊椎动物基因组与基因复制研究进展

脊椎动物的出现是动物进化历史上一次质的飞跃.由于所有的脊椎动物在其胚胎发育中都呈现连续的解剖学特征,因此过去很多学者都根据现存脊椎动物的形态特征和在其发育过程中的解剖学特征假想原始脊椎动物,并推导其进化过程和起源.近年来的研究表明,通过对脊椎动物和与之亲缘关系接近的物种之间进行基因家族、染色体结构分析,可以对脊椎动物进化提供很多线索和证据.更多的研究表明,脊椎动物在进化过程中很可能发生过整体基因组的复制, 基因和/或基因组的复制可能是引起脊椎动物形体结构复杂性增加的根本原因.因此,基因和基因组的复制正在成为生物进化研究的热点问题.但这两种复制方式中哪一种是产生动物形体结构和功能复杂性增加最重要的原因尚有争论.     

杨树MIR169基因家族分子进化分析

MicroRNA(miRNA)是真核生物中普遍存在的一类参与基因表达调控的小分子RNA。ptc-MIR169基因家族有33个成员, 是杨树中规模最大的miRNA基因家族。研究MIR169基因家族的进化对揭示杨树miRNA基因的进化机制具有重要的意义。文章对毛果杨MIR169基因家族的分子系统发育、基因倍增模式、表达分化和靶基因进行了分析。结果表明, 染色体大片段重复和串联重复在毛果杨MIR169基因家族扩张中均具有重要作用; MIR169基因家族在表达方式上已经出现了较大的分化; MIR169基因家族可能在杨树中已经形成了复杂的调控网络, 对杨树的生长发育和适应性等具有重要的调控作用。文章为杨树及杨柳科相关植物中miRNA基因家族的分子进化研究提供了参考。     

水稻丝氨酸蛋白酶S8基因家族的分布及分析

水稻丝氨酸蛋白酶S8基因家族在水稻的生长发育过程中起着重要的调控作用。本研究利用公共数据库资源,分析水稻中丝氨酸蛋白酶S8基因家族,在水稻12条染色体上找到46个该类基因。通过其结构分析发现,每个基因的内含子数目从0到10各不相同,但氨基酸序列是非常保守的,都有催化活性位点和底物结合位点。系统进化树分析显示,这46个基因分为3个亚家族,S8-1亚家族最大。该家族基因的进化主要是通过基因重复复制的方式进行,其表达模式发生了变化,并且多个基因在穗部具有表达。     

拟南芥和水稻SET结构域基因家族全基因组鉴定、分类和表达

ET(Su(var), Enhancer of zeste (E(z)), and Trithorax)结构域基因家族是一组含有保守SET结构域的蛋白的统称, 它们参与蛋白甲基化, 影响染色体结构, 并且调控基因表达, 在植物发育中起着重要的作用。分析拟南芥和水稻中SET结构域基因家族进化关系, 对研究这一基因家族中各成员的功能有着重要的意义。我们系统地鉴定了47个拟南芥(Arabidopsis thaliana)和43个水稻(Orysa sativa japonica cultivar Nipponbare)的SET结构域基因, 染色体定位和基因复制分析表明SET结构域基因扩增是由片段复制和反转录引起的, 根据这些结构域差异和系统发育分析把拟南芥和水稻的SET结构域基因划分成5个亚家族。通过分析SET结构域基因家族在拟南芥和水稻各个发育阶段的表达谱, 发现SET结构域基因绝大部分至少在一个组织中表达; 大部分在花和花粉中高表达; 一些SET结构域基因在某些组织中有特异的表达模式, 表明与组织发育有密切的关系。在拟南芥和水稻中分别找到了4个差异表达基因。拟南芥4个差异基因都在花粉管高表达, 水稻4个差异基因有3个在雄性花蕊中高表达, 另一个在幼穗中高表达。     

芸薹属(Brassica napus,B.rapa,B.oleracea) CAMTA3基因家族的鉴定及生物信息学分析

芸薹属(Brassica)植物(甘蓝型油菜,白菜,甘蓝)是重要的经济作物,它们之间的关系可用禹氏三角表示.CAMTA是在进化过程中高度保守的一类转录因子家族,该家族成员在芸薹属植物抗逆境胁迫过程中具有重要作用.为了探讨芸薹属CAMTA3基因家族的功能,本研究利用生物信息学手段,鉴定了芸薹属(白菜,甘蓝和甘蓝型油菜)CAMTA3基因家族的8个基因,并从蛋白质的理化性质、家族进化与基因结构和上游启动子等方面进行了分析研究.分析表明,芸薹属CAMTA3基因家族8个成员在进化过程中具有较高的保守性,其亲缘关系与禹氏三角理论相符,且各成员在植物响应抗胁迫过程中占重要地位.研究结果为芸薹属CAMTA3基因家族的功能研究提供了一定的信息基础.     

裸子植物中光敏色素PHY-PAS1结构域的适应性进化

光敏色素是一类红光／远红光受体,在植物种子萌发到成熟的整个生长发育过程中均起重要的调节作用。光敏色素PHY-PAS1结构域存在于光敏色素基因家族的所有成员中,对调节发色团的光谱特性和光信号转导非常关键。光敏色素基因家族通过基因重复产生,而基因重复可能与物种形成有关。PHYP基因是裸子植物光敏色素基因家族发生第1次重复后产生的,并且以单拷贝形式存在。为了研究不同裸子植物PHYP基因编码蛋白的PHY-PAS1结构域在进化过程中是否受到相同的选择压力以及是否发生了适应性进化,该研究利用分支模型、位点模型以及分支．位点模型对裸子植物31条PHYP基因序列编码蛋白的PHY-PAS1结构域所受到的选择压力进行了分析。结果表明,在由PHY-PAS1结构域序列构建的系统树中,多数分支处于强烈的负选择压力下（ω〈1）：有14个分支处于正选择压力下（ω〉1）,其中13个分支发生在属内种间;与之相比,在较为古老的谱系中相对缺少这种正选择压力。     

核糖核酸酶基因超家族分子进化

核糖核酸酶基因(Ribonuclease A, RNASE A)超家族是进化生物学中研究新基因起源及新功能演变的重要模式系统之一。RNASE A超家族中的很多成员表现出基因复制的进化模式, 而且在适应性(正)选择的驱动下, 发生了功能分化。文章综述了RNASE A超家族成员在不同动物类群中进化模式的研究进展, 包括近年来越来越多在基因组水平上开展的相关研究, 显示该基因超家族可能具有比人们以往认识的更为复杂的基因进化模式。随着越来越多动物基因组数据的产生, 对更多动物代表类群进行RNASE A超家族研究, 将有望揭示新的进化机制和功能分化, 为系统认识动物适应进化的遗传机制奠定基础。     

miR-171基因家族进化分析及靶基因预测

运用生物信息学方法在miRBase中搜索植物miR-171基因家族的序列,分析miR-171序列的进化特征并预测其靶基因。结果表明,在38种植物中共搜索到219条miR-171序列,大部分miR-171基因都存在于基因间隔区。进化分析表明,miR-171基因家族的进化与物种进化关联不大。采用3个miRNA靶基因预测软件对大豆和玉米miR-171基因的靶基因进行预测,发现了miR-171可能参与生长因子、转录因子、蛋白酶等的调控,作用范围非常广泛。     

促葡萄糖转运蛋白基因家族的分子进化研究

葡萄糖转运蛋白是一个在结构上相似功能上不同的多基因家族（ＧＬＵＴ１－ＧＬＵＴ５）。由于这一组蛋白和体内的葡萄糖利用有关,因此被认为是糖尿病胰岛素抵抗（抗性）的一个候选基因。本文比较了不同种生物这一基因家族的氨基酸和核苷酸顺序;推测了亲水性和疏水性分布;计算了蛋白质和核苷酸的进化距离,并在此基础上构建了分子进化树。研究表明：这一基因家族具有高度的同源性、极为相似的亲水性和疏水性分布以及结构的对称性。提示这一基因家族起源于一个共同的祖先并可能通过基因的重复而形成。这一进化机制可能有利于氨基酸结构的稳定及抵抗突变的作用。由于邻元法构建的进化树其分支长度存在差异,提示在这一基因家族的进化过程中,各分支上的进化速率并不相同。蛋白质进化距离和核苷酸进化距离所构建进化树的差异提示了在基因组中可能存在隐匿替换。两种方法构建的进化树都提示了ＧＬＵＴ１、３、４在结构和功能上要更为保守。