建立蛋白质序列的同源性

蛋白质序列同源性比较是研究蛋白质结构、功能与进化的基础。分子生物学家依靠计算机程序进行序列对准此较。本文主要综述计算机介导的序列比较的基本原理和评价序列类似之显著性水准的方法,并介绍多序列同时比较的方法。     

植物基因家族的分子进化

植物基因家族的分子进化曾庆平,郭勇（华南理工大学生物工程系,广州５１０６４１）关键词基因家族,同源性,分子进化,生物工程建立基因数据库与计算机检索程序使不同基因之间的碱基序列同源性的比较成为可能,同时也有助于进行基因的分子起源与进化以及蛋白质结构与功...     

蛋白质工程中的计算机辅助设计

了解蛋白质的序列,三级结构与功能之间的关系,可以用遗传学方法对蛋白质氨基酸的序列进行设计,得到的修饰分子可以具有特殊的医疗效果或重要的工业价值。人机对话式计算机制图(computer graphics)可以显示蛋白质晶体学所揭示的结构信息,并建造结构模型(model)。如果缺乏合适的晶体结构,计算机方法就必须从序列推测蛋白质的构象。推测结构最有效的方法是利用序列的同源性或利用与已知的晶体结构更为普遍的类似性。上述方法的改进需要使用含有蛋白质构造基本形式的数据库。     

形态性状、分子性状与同源性

“同源性(homology)”是生物学中最基本的概念之一。近年来, 随着分子生物学、生物信息学、发育生物学以及进化发育遗传学等学科的快速发展, 同源性一词在形态性状的比较、核苷酸和氨基酸序列的分析以及探讨形态性状进化的分子机制等方面都有广泛应用。然而, 由于不同的研究者对同源性概念的理解有所不同, 在实际应用中难免会出现不恰当使用“同源性”一词并得出错误结论的情况。本文从不同的角度介绍了如何对同源性进行判断以及影响同源性判断的因素。并指出正确理解同源性这一概念的含义, 以及通过综合各方面的证据对同源性进行推断对于揭示基因型和表型的进化以及二者之间的关系非常重要。     

昆虫卵黄蛋白分子进化的研究进展

卵黄原蛋白（Vg）、卵黄多肽（YP）和小卵黄蛋白（minor YP）是昆虫三类主要的卵黄蛋白,它们之间的同源性一直是研究的重点。本文根据已经解析的Vg,YP和minor YP的氨基酸序列,采用序列比对和系统树分析的方法,并结合国内外对三者同源性研究的基础,对其进化关系进行了分析。结果表明,Vg,YP和minor YP是三类具有不同进化祖先的卵黄蛋白,它们的氨基酸序列相似性较低。Vg在系统进化过程中最为保守,与人类的血清载脂蛋白B(ApoB)具有较高的同源性;YP与脊椎动物的肝脂酶和胰脂酶具有较高的同源性;而minor YP与脊椎动物胃脂肪酶和舌脂肪酶具有较高的同源性。同时,对三者的分子特性做了简单的介绍。     

形态性状、分子性状与同源性

“同源性（homology）”是生物学中最基本的概念之一。近年来,随着分子生物学、生物信息学、发育生物学以及进化发育遗传学等学科的快速发展,同源性一词在形态性状的比较、核苷酸和氨基酸序列的分析以及探讨形态性状进化的分子机制等方面都有广泛应用。然而,由于不同的研究者对同源性概念的理解有所不同,在实际应用中难免会出现不恰当使用“同源性”一词并得出错误结论的情况。本文从不同的角度介绍了如何对同源性进行判断以及影响同源性判断的因素。并指出正确理解同源性这一概念的含义,以及通过综合各方面的证据对同源性进行推断对于揭示基因型和表型的进化以及二者之间的关系非常重要。     

甘蔗乙烯合成酶基因家族三个成员的克隆与序列分析

ACC（1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid）合成酶是高等植物乙烯生物合成途径中的限速酶.根据已克隆的植物ACS（1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid synthase）基因同源序列,设计简并引物,以甘蔗叶片总DNA为模板,通过PCR扩增,得到3条特异性强的扩增片段：Sc-ACS1为1 041 bp、Sc-ACS2为1 345 bp和Sc-ACS3为1 707 bp.将序列在GenBank核酸数据库进行同源性搜索,结果表明,3个片段均为ACS基因,推导编码的蛋白质序列分别包含326、242和310个氨基酸.其中,Sc-A CS1和Sc-ACS3同源性最高,核苷酸序列和蛋白质氨基酸序列分别有98%和96%同源,与禾本科植物玉米Zm ACS6、水稻OS-ACS2、毛竹等ACS基因家族也有很高的同源性,核苷酸序列同源性为88%-98%,蛋白质氨基酸序列同源性为73%-81%.甘蔗Sc-ACS2与水稻OS-ACS5在核苷酸和氨基酸序列上分别有91%和79%同源性,但与甘蔗Sc-ACS1和Sc-ACS3基因成员之间,氨基酸同源性分别只有45%和49%.系统进化分析表明,Sc-ACS1和Sc-ACS3基因与玉米Zm ACS6基因亲缘关系最近,而Sc-ACS2基因与水稻OS-ACS5基因亲缘关系最近.Southern杂交表明三基因在基因组中确实存在而且是多拷贝基因.三个片段已在GenBank数据库中注册,注册号分别为AY620985、AY620986和AY788919.     

棉铃虫多核型多角体病毒v-cath同源基因的克隆及序列分析

为获得棉铃虫多核衣壳型多角体病毒(Helicoverpa armigera multiple nucleocapsid nucleopolyhedrovirus)基因组序列,采用随机克隆方法,建立HearMNPV的质粒基因文库,并通过对插入片段进行克隆鉴定和序列分析,获得编码组织蛋白酶基因v-cath。该基因阅读框为1026bp,共编码341个氨基酸。核苷酸和氨基酸同源性比较结果表明:HearMNPV的v-cath基因与蓓带夜蛾核型多角体病毒B(Mamestra configurata NPV-B)的同源性最高,而与苹果皮小卷蛾颗粒体病毒(Cydiapomonella GV CpGV)同源性最低,由此认为,杆状病毒科的v-cath基因在进化上存在2种进化方式:一类以点突变为主,基因长度变化不明显;另一类突变以小片段的碱基增减为特征。     

几种南海芋螺二硫键异构酶的克隆及进化分析

目的:从来自中国南海的4种芋螺中克隆出包含完整3’和5’非翻译区的蛋白质二硫键异构酶(PDI)全基因序列,并对其进行序列及进化分析。方法:根据各种生物PDI基因的保守区域设计引物,利用3’和5’cDNA末端快速扩增(RACE)方法克隆出PDI全基因序列,并通过生物信息学方法对各芋螺PDI序列进行分析。结果与结论:从中国南海玉女芋螺、黑星芋螺、堂皇芋螺、桶形芋螺cDNA中克隆出包含有完整3’和5’非翻译区的PDI全基因序列;分析结果表明各芋螺之间的同源性大于90%,而与对虾、人类、酿酒酵母的同源性均小于60%;各芋螺PDI与其他生物的2个活性位点序列高度保守,而底物结合位点具有物种特异性,进化树显示各芋螺PDI的特征可能受其捕食食性影响。     

牙鲆cbx2基因的分子特征与组织表达

为鉴定牙鲆(Paralichthys olivaceus)色素框同源蛋白(Chromobox homolog,CBX)基因cbx2及探讨其在牙鲆性腺中的表达,通过PCR克隆和测序获得了cbx2 cDNA序列;利用多种生物信息学方法在线分析了牙鲆CBX2蛋白质的理化性质与空间结构,并比较了脊椎动物中cbx2的基因结构、氨基酸同源性、系统进化;运用RT-PCR技术分析了cbx2基因在牙鲆成体不同组织的表达情况。结果表明获得的牙鲆cbx2 cDNA序列包含1 584 bp的开放阅读框,编码527个氨基酸,其蛋白质分子量和等电点分别为56 578.98和10.03,是一种偏碱性的亲水性蛋白,该蛋白无信号肽,无跨膜区域,且编码该蛋白的氨基酸中以丝氨酸(Sr)的含量为最高;空间结构分析发现,牙鲆CBX2蛋白以α螺旋和无规则卷曲为主,其二级结构中含有1个染色质结构域和4个低复杂结构域,该染色质结构域常结合甲基化氨基酸残基。基因结构、氨基酸同源性和系统进化分析表明cbx2基因在脊椎动物进化中较为保守,牙鲆cbx2与尼罗罗非鱼(Oreochromis niloticus)、青鳉(Oryzias latipes)的基因结构更为相似,其氨基酸同源性与杜氏鰤(Seriola dumerili)最高,为89%。RT-PCR结果显示牙鲆cbx2基因在精巢的表达量最高,卵巢次之,而在其他组织中仅有较低的表达。这些结果提示了cbx2基因在牙鲆的性腺发育中可能具有重要作用。     

蛋白质序列的矩阵图谱表达

基于经典HP模型,利用蛋白质序列的矩阵图谱表达法(MGR)及数值刻画的思想提出了一种新的蛋白质序列的比对方法,通过观察蛋白质序列的数值刻画图及计算两蛋白质序列之间的欧氏距离d,对木聚糖酶两家族的蛋白质序列进行了相似性分析.发现被划分为同一木聚糖酶家族的蛋白质序列之间的相似性更大,而且蛋白质序列的相似性程度与分子大小、结构和分子进化相关.     

一种快速非比对的蛋白质序列相似性与进化分析方法

本文提出了一种新的快速非比对的蛋白质序列相似性与进化分析方法。在刻画蛋白质序列特征时,首先将氨基酸的10种理化性质通过主成分分析浓缩为6个主成分,并且将每条蛋白质序列里的氨基酸数目作为权重对主成分得分值进行加权平均,然后再融合氨基酸的位置信息构成一个26维的蛋白质序列特征向量,最后利用欧式距离度量蛋白质序列间的相似性及进化关系。通过对3个蛋白质序列数据集的测试表明,本文提出的方法能将每条蛋白质序列准确聚类,并且简便快捷,说明了该方法的有效性。     

蓖麻蚕线粒体基因组细胞色素氧化酶亚基Ⅲ的序列及其分子进化分析

测定了蓖麻蚕Samia cynthia ricini线粒体基因组(mtDNA)含完整的细胞色素氧化酶亚基Ⅲ(COX3)、tRNA-Gly和部分的NADH亚基Ⅲ(ND3)基因的DNA片段序列。COX3基因编码框包含789个核苷酸,编码262个氨基酸的蛋白质。通过同源性比较,发现COX3基因的3′端比5′端要保守,其编码的蛋白在C端有两个保守序列存在。COX3的下游为66 bp的tRNA-Gly基因。蓖麻蚕的COX3与家蚕COX3同源性最高,核苷酸和氨基酸序列同源性分别是80.2%和85.6%。根据COX3氨基酸序列进行了12种无脊椎动物的分子进化树分析,认为在采用线粒体基因序列进行分子进化分析时,应该综合考虑物种的繁殖模式及生态特点。     

手足口病病例肠道病毒CVA12型的鉴定及VP1基因特征分析

目的运用分子生物学方法对长沙市1例手足口病(Hand foot and mouth Disease,HFMD)患者咽拭子标本进行未分型肠道病毒的鉴定及VP1基因特征分析。方法采用兼并引物RT-PCR扩增病毒VP1区片段,BLAST比对确定其型别;特异性引物扩增VP1区基因全长,测定序列进行分析。结果所得序列BLAST比对分析为Coxsackievirus A12(CVA12)型肠道病毒;病毒VP1区基因序列全长为888bp,编码296个氨基酸,同源性分析显示与国内外CVA12毒株核苷酸同源性介于81.9%~98.4%之间;氨基酸同源性在95.3%~100.0%之间。与CVA12美国标准株Texas-12核苷酸同源性为81.9%,氨基酸同源性为95.3%。系统进化表明,长沙市CVA12与国内毒株亲缘关系较近,而与日本、美国则亲缘关系较远。结论从1例手足口病轻症病例中鉴定出CVA12型肠道病毒,该病毒VP1区基因进化特征与国内CVA12毒株亲缘关系近。     

分子模拟与微生物、自身免疫交叉识别以及肿瘤免疫治疗

分子模拟是生物界广为存在的一种自然现象。细菌等病原微生物可利用蛋白质序列或结构的相似而模拟宿主细胞某些分子的功能,从而协助其入侵与存活;另一方面,微生物也可因某些蛋白质的同源或相似而致宿主交叉免疫反应,导致自身免疫参与自身免疫疾病的发生,其本质是一种交叉识别。本室及其他研究小组发现可利用不同种属某些肿瘤相关同源分子的异源性激发特异的免疫反应,并因其同源性而交叉反应于宿主分子,从而产生抗肿瘤的自身免疫,亦即通过异种同源分子的策略主动免疫治疗肿瘤。这种模拟还可以在表位肽的水平进行,相信分子模拟的深入研究将有助于揭示进化与分子识别的本质以及自身免疫的规律,从而探索分子模拟在疾病预防与治疗中的应用。     

灰斑古毒蛾核型多角体病毒三个晚期表达因子基因

将灰斑古毒蛾(Orgyia ericae)单粒包埋型核型多角体病毒(OrerSNPV)基因组DNA的各EcoRI酶切片段进行克隆和测序.序列分析结果表明EcoRI-M(3.0kb)与EcoRI-P片段(2.2kb)相连处含有编码晚期表达因子(LEF-2)的开放阅读框(ORF).同时在EcoRI-E(约10kb)片段两端分别含有lef-3和lef-11基因的部分序列.lef-2基因编码区由648bp组成,可编码216个氨基酸残基的多肽,预计蛋白质分子量为23.7kDa.将OrerSNPVLEF-2氨基酸序列与其它已知的27种杆状病毒的LEF-2序列比较,发现OrerSNPV与其它鳞翅目NPV LEF-2氨基酸有35%～49%同源性,其中与BusuSNPV、MaMNPV-A、HezeSNPV、HearSNPV和LdMNPV同源性最高,和GV有26%～31%同源性,与膜翅目松柏锯角叶蜂NPV的同源性为32%,与库蚊杆状病毒的同源性只有23%.根据氨基酸序列绘制的分子进化树表明28种杆状病毒lef-2基因可以分为鳞翅目NPV、GV、膜翅目NeseNPV与双翅目Culex nigripalpus Baculovirus四个分支.OrerSNPVlef-2与BusuSNPV在进化树上关系最为接近,而OrerSNPVlf-3和LdMNPV的最接近,OrerSNPVlef-11则和SeMNPV的关系最接近.     

脊髓灰质炎病毒的分子进化

本文根据脊髓灰质炎病毒3个型别参考毒株的基因组核苷酸序列和蛋白质氨基酸序列资料,首次试用Kimura的分子进化理论和计算方法,推算出脊髓灰质炎病毒型间的进化距离、分歧进化时间及病毒蛋白质氨基酸的替换率。结果表明:(1)型间毒株相互进化距离大致相等;(2)三个型病毒是由一个共同祖先病毒在距今约1—2千年以前几乎同时分歧进化而来;(3)型间毒株蛋白质氨基酸替换率也大致相等。     

栽培高梁、甜高梁和拟高梁比较基因组原位杂交分析

用一种植物的总基因组DNA与近缘或远缘物种的染色体杂交,可以研究植物近缘或远缘物种基因组进化关系。以拟高粱总基因组DNA为探针,对栽培高粱、甜高粱基因组进行杂交,结果表明栽培高粱、甜高梁和拟高梁基因组中重复序列存在很大的同源性,基因组进化关系表现出保守性。栽培高粱与拟高粱基因组间重复序列的同源性要比甜高粱与拟高粱间重复序列的同源性高。     

栽培高粱、甜高粱和拟高粱比较基因组原位杂交分析

用一种植物的总基因组DNA与近缘或远缘物种的染色体杂交,可以研究植物近缘或远缘物种基因组进化关系。以拟高粱总基因组DNA为探针,对栽培高粱、甜高粱基因组进行杂交,结果表明栽培高粱、甜高粱和拟高粱基因组中重复序列存在很大的同源性,基因组进化关系表现出保守性。栽培高粱与拟高粱基因组间重复序列的同源性要比甜高粱与拟高粱间重复序列的同源性高。     

灰斑古毒蛾核型多角体病毒三个晚期表达因子基因

将灰斑古毒蛾(Orgyiaericae)单粒包埋型核型多角体病毒(OrerSNPV)基因组DNA的各EcoRI酶切片段进行克隆和测序。序列分析结果表明EcoRI-M(3．0kb)与EcoRI-P片段(2．2kb)相连处含有编码晚期表达因子(LEF-2)的开放阅读框(ORF)。同时在EcoRI-E(约10kb)片段两端分别含有ref-3和lef-11基因的部分序列。lef-2基因编码区由648bp组成,可编码216个氨基酸残基的多肽,预计蛋白质分子量为23．7kDa。将OrerSNPVLEF-2氨基酸序列与其它已知的27种杆状病毒的LEF．2序列比较,发现OrerSNPV与其它鳞翅目NPVLEF．2氨基酸有35％-49％同源性,其中与BusuSNPV,MaMNPV-A,HezeSNPV、Hear3NPV和LdMNPV同源性最高,和GV有26％-31％同源性,与膜翅目松柏锯角叶蜂NPV的同源性为32％,与库蚊杆状病毒的同源性只有23％。根据氨基酸序列绘制的分子进化树表明28种杆状病毒lef-2基因可以分为鳞翅目NPV、GV、膜翅目NeseNPV与双翅目Culex nigripalpus Baculovirus四个分支。oret SNPV lef-2与BUSUsnpv在进化树上关系最为接近,而orerSNPV lef-3和LdMNPV的最接近,OrerSNPV lef-11则和SeMNPV的关系最接近。