人类珠蛋白相关基因上游开放阅读框的变异分析

β-地中海贫血症是一种珠蛋白生成障碍的常染色体隐性遗传病。而γ珠蛋白基因的开放表达和胎儿血红蛋白的合成,是缓解β地中海贫血病人临床表型的一个重要因素。本研究针对202个血红蛋白相关调控基因或miRNA,对1802个β-地中海贫血症患者进行了目标区域捕获测序。通过生物信息学的分析,检测出了所有捕获区域内的突变。进一步对位于5′端非编码区(5′untranslated region, 5′UTR)的突变进行系统扫描,共计寻找到41个影响uORF(upstream open reading frame, uORF)有或无的功能性突变。从中选取了CHTOP基因(chr1:153606541 C>T)和TGFB1基因(chr19:41859418 G>A)的两个突变,通过定点诱变和双荧光素酶报告实验,在体外证实这两个突变均可显著地改变下游基因的表达。该研究结果为β-地中海贫血症临床表型的精确诊断提供了潜在的筛查靶点。     

微生物小开放阅读框:小蛋白及翻译调控研究进展

小开放阅读框(small open reading frame, sORF)广泛存在于不同生物基因组中,由于其序列短,以及编码的产物小蛋白(smallprotein,或称微蛋白;microprotein或迷你蛋白miniprotein)检测困难等原因,小开放阅读框长期未得到充分注释和研究。近年来,随着高通量测序、翻译组和质谱分析等技术的不断发展,在不同生物中发现大量新的小开放阅读框,其编码的小蛋白及介导的翻译调控已应用于药物开发及植物抗病机理等研究。但是,目前对微生物的小开放阅读框相关研究和应用还相对有限。本文综述了小开放阅读框编码产物小蛋白的发现和鉴定,以及上游开放阅读框(upstream open reading frame, uORF)对mRNA翻译调控等最新研究进展,重点介绍了微生物基因组中小开放阅读框的鉴定和功能研究进展,为深入认识微生物中小开放阅读框的功能和作用机制,以及植物和动物等高等其他生物的小蛋白和翻译调控相关研究提供参考。     

小开放阅读框编码微肽的研究进展

已有的研究表明,生命体中存在着大量的非编码RNA(non-codingRNA,ncRNA),先前被错误注释为ncRNA的分子序列中实际上包含小的开放阅读框(short open reading frame, sORF),部分sORF可转录并翻译成进化保守的微肽(micropeptide),这些sORF由于序列较短和研究技术手段的限制而被忽略。迄今为止,已在生命体中发现一些sORF编码的功能各异的微肽,它们对生命活动的调控起着重要作用。本文对近年来发现的功能性微肽进行综述,介绍了本课题组发现新型微肽MIAC (micropeptide inhibiting actin cytoskeleton)的过程,同时总结了研究潜在微肽的相关技术,以期为研究人员利用相关技术发现新微肽提供借鉴和参考。     

植物小开放阅读框编码肽的研究进展

小开放阅读框（small open reading frame,sORF）一般指基因组中能够编码长度在100个氨基酸左右或以内短肽的开放阅读框。它们广泛存在于植物基因组,却因编码短肽而常被基因组注释忽视。随着翻译组学和蛋白质组学测序技术的发展,具有翻译活性的sORF被证实广泛存在于植物基因组,且参与植物生长发育等重要过程的调控。该文归纳了近些年来植物领域sORF的一些研究进展,主要包括sORF的来源与分类、信息学预测方法和生物学功能等,并基于此对植物sORF未来的研究方向进行了展望。     

鸡PPARγ基因转录本3上游开放阅读框转录后的调控作用

过氧化物酶体增殖物激活受体γ (peroxisome proliferator-activated receptor gamma, PPARγ)是脂肪生成的关键调控因子。本实验室前期研究发现,与人和鼠等哺乳动物PPARγ基因的转录本不同,鸡PPARγ基因的多个转录本5′UTR区存在上游开放阅读框(upstream open reading frames, uORFs)。为了揭示该uORF转录后的调控作用,本研究构建了鸡PPARγ基因转录本3 (cPPARγ3)野生型5′UTR报告基因载体psiCHECK2-cPPARγ3- 5′UTR-WT和uORF突变(uATG突变为终止密码子TGA)的5′UTR报告基因载体psiCHECK2-cPPARγ3- 5′UTR-Mut。将这两个报告基因载体分别转染永生化鸡前脂肪细胞(immortalized chicken pre-adipocytes, ICPA)和鸡胚成纤维细胞DF1,检测海肾荧光素酶报告基因hRluc活性及其mRNA表达。荧光素酶报告基因检测结果显示,在ICPA细胞中,psiCHECK2-cPPARγ3-5′UTR-Mut的hRluc报告基因活性极显著高于psiCHECK2- cPPARγ3-5′UTR-WT (P<0.01);在DF1细胞中,psiCHECK2-cPPARγ3-5′UTR-Mut的hRluc报告基因活性高于psiCHECK2-cPPARγ3-5′UTR-WT,但差异不显著(P>0.05)。qRT-PCR检测hRluc基因mRNA表达结果显示,与psiCHECK2-cPPARγ3-5′UTR-WT相比,在ICPA细胞中,psiCHECK2-cPPARγ3-5′UTR-Mut转染细胞的hRluc基因的mRNA表达水平极显著降低(P<0.01);在DF1细胞中,psiCHECK2-cPPARγ3-5′UTR-Mut转染细胞后,hRluc基因的mRNA表达水平也降低,但差异不显著(P>0.05)。为进一步分析该uORF对鸡cPPARγ3的转录后调控作用,本研究又分别构建了野生型cPPARγ3真核表达载体pcDNA3.1-cPPARγ3-WT和uORF突变的cPPARγ3真核表达载体pcDNA3.1-cPPARγ3-Mut。qRT-PCR检测cPPARγ3的mRNA表达水平,结果显示,在这两种细胞中,pcDNA3.1-cPPARγ3-Mut转染细胞的cPPARγ3 mRNA表达水平均显著低于pcDNA3.1-cPPARγ3-WT转染细胞(P<0.05),但Western blot结果显示,pcDNA3.1-cPPARγ3-Mut转染细胞的PPARγ蛋白表达水平极显著高于pcDNA3.1-cPPARγ3-WT转染细胞(P<0.01)。这些研究结果表明,5′UTR区的uORF抑制鸡cPPARγ3的翻译。     

RT－PCR联合一步法扩增G蛋白α亚基基因的开放阅读框

报道逆转录－多聚酶链式反应（ＲＴ－ＰＣＲ）联合一步程序,扩增大于１ｋｂ的拟南芥菜Ｇ蛋白α亚基基因的开放阅读框,该程序中,当ＲＮＡ模板和引物变性,并在同一管中加入ＰＣＲ缓冲液,４种ｄＮＴＰ底物,逆转录酶和ＴａｑＤＮＡ聚合酶之后,就不需其它手工操作步骤,因而可同时进行大批量样品的操作,实验结果证明ＡＭＶ（鸟类骨髓性白血病病毒）逆转录酶对ＴａｑＤＮＡ聚合酶的活性没有抑制作用,这种ＲＴ－ＰＣＲ联合一步法可     

RT－PCR联合一步法扩增G蛋白α亚基基因的开放阅读框

报道逆转录－多聚酶链式反应（ＲＴ－ＰＣＲ）联合一步程序,扩增大于１ｋｂ的拟南芥菜Ｇ蛋白α亚基基因的开放阅读框。该程序中,当ＲＮＡ模板和引物变性,并在同一管中加入ＰＣＲ缓冲液、４种ｄＮＴＰ底物、逆转录酶和ＴａｑＤＮＡ聚合酶之后,就不需其它手工操作步骤,因而可同时进行大批量样品的操作。实验结果证明ＡＭＶ（鸟类骨髓性白血病病毒）逆转录酶对ＴａｑＤＮＡ聚合酶的活性没有抑制作用。这种ＲＴ－ＰＣＲ联合一步法可从０．５μｇ的总ＲＮＡ中快速地扩增长于１．０ｋｂ的ｃＤＮＡ片段。     

青稞胆碱单加氧酶基因cDNA全长开放阅读框克隆及序列分析

甜菜碱是一种存在于多种生物体内的季胺类高效渗透调节剂,是由甜菜碱合成酶系催化的。为了研究甜菜碱合成酶系基因的表达和青稞高抗逆性之间的关系,我们以经200mmol/L NaCl预处理72h的青稞幼苗叶片及根中提取的总RNA为模板,采用RT-PCR技术,扩增得到全长1224bp,推测编码407个氨基酸残基的青稞胆碱单加氧酶(choline monooxygenase,cmo)基因cDNA全长开放阅读框(open reading frame,ORF),将其命名为hvcmo1并在GenBank中注册,获得登录号为GU810840。生物信息学分析表明,推定的氨基酸序列中含有与已报道高等植物胆碱单加氧酶氨基酸序列中的Rieske型铁硫簇结合区和单核铁结合基序等特征性结构域具有高度保守性的特征性结构域。与多种高等植物cmo基因进行序列同源性比对分析结果显示:hvcmo1的核苷酸序列与甜菜、盐角草、菠菜、辽宁碱蓬、拟南芥、玉米、水稻、高粱、羊草和大麦等植物的cmo mRNA编码区相似性分别为55.3%、55.4%、55.6%、5.9%、61.3%、82.6%、83.3%、83.4%、95.5%和99.5%。实验过程中,我们发现,青稞hvcmo1基因的表达必须被一定浓度的NaCl所诱导,说明hvcmo1可能在调节环境胁迫下青稞细胞内甘氨酸甜菜碱合成方面起着关键的作用,同时它可以作为研究环境胁迫下甘氨酸甜菜碱合成调节的模型。本结果为研究青稞甘氨酸甜菜碱合成酶系基因的诱导表达及其与青稞强抗逆性之间的关系奠定了基础。     

基于部分线粒体细胞色素氧化酶亚基Ⅰ(mtCOI)DNA 序列的6种蝙蝠(翼手目:蝙蝠科)的分子系统进化关系

对贵州5种蝙蝠科蝙蝠的部分线粒体细胞色素氧化酶亚基ⅠDNA序列进行了测定,并结合从Genbank获得的爪哇伏翼的相应序列,以Pteropus dasymallus,P.scapulatus,Rousettus aegyptiacus为外群,运用贝叶斯法(Bayes-ian),最大似然法(Maximum Likelihood,ML)分析了这6种蝙蝠科蝙蝠的分子系统进化关系。结果表明:在贝叶斯,ML树中,这6种蝙蝠科的蝙蝠可分为3个分支:亚洲长翼蝠是第1个独立出来的分支;白腹管鼻蝠是继亚洲长翼蝠之后第2个分离出来的分支;第3个分支又分为两支,一支由大鼠耳蝠和小鼠耳蝠组成,另一支由南蝠和爪哇伏翼组成,支持将这4种蝙蝠同归于蝙蝠亚科的结论,从一定程度上否定了鼠耳蝠属和管鼻蝠亚科之间的姐妹类群关系,也不支持将鼠耳属提升为亚科。     

棉花GhZIP4基因的克隆及表达分析

根据EST拼接的序列设计引物,利用RT-PCR和PCR方法,从陆地棉‘苏棉18’-cDNA和基因组DNA中分别克隆获得了GhZIP4基因片段.结果表明:(1)GhZIP4基因cDNA序列全长1 487 bp,包含1 269 bp ORF,编码422个氨基酸残基,其氨基酸序列具有典型的ZIP蛋白特征,预测具有8个跨膜结构域,第Ⅲ和第Ⅳ跨膜结构域间存在可变区,在可变区有2个富含His的结构域“HRHSHPHG”和“HSHGHGHD”.(2)氨基酸进化树分析显示,GhZIP4同拟南芥ZIP家族AtZIP4的相似性较高.(3)GhZIP4 DNA序列编码区全长1 778 bp,包含4个外显子和3个内含子,所有外显子/内含子交接点都遵从gt/ag剪接规则.(4)半定量分析显示,GhZIP4基因在茎中表达量最高,表明该基因有可能在某些金属离子地上部和根部的动态平衡分布过程中具有重要作用.     

甘蓝型油菜热激转录因子的克隆及表达分析

以甘蓝型纯系油菜为试材,用RT-PCR和RACE方法首次从油菜种子中获得油菜热激转录因子的cDNA全长序列,命名为BnHSFA4a,GenBank登录号为HQ435241。结果表明:该cDNA长1 667bp,编码1个具有389aa的蛋白质,该基因编码的氨基酸序列与拟南芥热激转录因子AtHSFA4a编码的氨基酸序列间相似度为82%。对34条编码不同热激转录因子的氨基酸序列进行多重比对,结果在100～190aa处序列间氨基酸总相似性超过60%,显示出较高的保守性。构建原核表达载体并成功表达出预期蛋白。半定量RT-PCR结果显示,该基因的表达先于油菜肌醇半乳糖苷合成酶(BnGOLS1)基因,符合该基因调控BnGOLS1的假设。推测AtHSFA4a基因可能通过调控BnGOLS1的表达量进而在油菜种子脱水耐性获得过程中发挥一定的作用。     

大豆GmABI4基因克隆及表达分析

该研究基于大豆基因组数据库,根据拟南芥ABI4蛋白的氨基酸序列,经比对分析,获得了大豆中的2个GmABI4基因,分别命名为GmABI4-1(GenBank登录号为XM_014766551.1)和GmABI4-2(GenBank登录号为NM_001249003)。TMHMM软件和系统进化转录分析表明,这2个基因编码的蛋白均不具有信号肽,二级结构主要以无规则卷曲和延伸链为主;进化树分析表明,大豆GmABI4和野生大豆亲缘关系较近。荧光定量PCR分析表明,GmABI4-1与GmABI4-2基因在大豆种子与豆荚中的表达量均高于根、茎、叶、花等其他组织,推测可能与调控大豆种子生命活动相关。     

Toll样受体4(TLR4)基因剔除小鼠构建及初步表型分析

目的 利用CRISPR/Cas9技术构建Toll样受体4(TLR4)基因敲除小鼠模型,并观察突变小鼠对革兰氏阴性细菌脂多糖(LPS)刺激响应的变化。方法 针对TLR4基因外显子2设计并合成1对sgRNA片段,与编码Cas9的mRNA混合后通过受精卵显微注射方法,建立TLR4基因敲除小鼠,通过繁育获得基因敲除纯合子小鼠(TLR4^-/-小鼠);通过LPS刺激,分析TLR4^-/-小鼠对炎症应激的反应情况,并在分子和病理水平上和野生型对照(WT)进行比较。结果 PCR及测序检测表明TLR4基因外显子2在小鼠基因中被成功敲除;给予LPS刺激后,IL1β、IL6、MyD88、iNOS及TNFa等炎症因子的表达在野生型小鼠的心、肝和肺组织中显著上调,而在TLR4^-/-小鼠中则几乎没有变化;血生化指标显示LPS刺激后WT小鼠血清中的尿素(Urea)和肌酐(Cre)水平显著升高,而TLR4^-/-小鼠刺激前后无显著变化,病理分析同样发现TLR4^-/-小鼠能够抵抗LPS对肾组织的损伤。结论 利用CRISPR/Cas9技术成功构建了TLR4基因剔除小鼠模型,TLR4的缺失能够降低IL1β、IL6、MyD88、iNOS及TNFa炎症因子对LPS刺激的响应,抑制LPS引起的炎症反应及对组织的损伤。     

抱茎独行菜MUM4基因的克隆及分析

抱茎独行菜(Lepidium perfoliatum L.)为十字花科具典型粘液繁殖体植物,为探究该植物中种皮粘液质基因（MUCILAGE-MODIFIED4,MUM4,该基因在拟南芥中编码NDP-L-鼠李糖合成酶)的功能,通过生物信息学分析设计引物克隆得到抱茎独行菜MUM4基因,命名为LpMUM4。同源比对分析结果表明,LpMUM4与拟南芥AtMUM4基因具有很高的一致性。qRT-PCR结果表明,该基因在抱茎独行菜各组织中均有表达,在角果和根中的表达量最高,且其表达量随角果的发育表现出渐强的趋势。免疫组织化学定位分析表明,LpMUM4基因于角果发育的早期阶段在内珠被和外珠被都有表达,而在外珠被的表皮和亚表皮中表达量更高,至角果发育的最后阶段,其表达集中于表皮和亚表皮层,这可能与抱茎独行菜的外珠被发育成种皮及粘液质的生成有关。将LpMUM4基因转化拟南芥,该基因的过表达对位于粘液质合成途径中的上游基因AtTTG1具有显著的抑制作用。表型比对观察显示,转基因拟南芥与其野生型植株形态无显著差异,这可能是因为抱茎独行菜种皮的发育和粘液质的形成是一个多基因调控的复杂过程,某一基因的过表达或许不会引起明显的表型变化。     

甘蔗生长素结合蛋白ScABP4基因的克隆与表达

生长素结合蛋白(auxin binding protein,ABP)在生长素信号转导、植物生长发育调控等方面发挥重要作用。该研究利用RT-PCR方法从甘蔗品种Badila中克隆得到了1个ABP基因,序列分析显示该基因的开放读码框(ORF)长度为615bp,编码204个氨基酸。多序列比对和系统进化树分析表明它与高粱(Sorghum bicolor)和玉米(Zea mays)的ABP4蛋白的亲缘关系最近,因此将该基因命名为ScABP4。将其构建到原核表达载体pGEX-6P-1中,成功表达出一个分子量约为22.5kD的蛋白。亚细胞定位结果显示ScABP4主要定位于细胞质网状结构和细胞膜;生物信息学分析显示ScABP4是一个带有信号肽的分泌蛋白,说明ScABP4蛋白可能储存在内质网中并在质膜上执行其生物学功能。荧光定量PCR分析结果表明,ScABP4基因在甘蔗的芽、根、茎、叶中均有表达,其中在芽中相对表达量最高。生长素和黑暗处理下ScABP4基因的表达上调,说明ScABP4基因可能参与甘蔗对生长素的响应及与光信号通路的互作。此外,ABA、JA、SA、CuCl2胁迫能够诱导ScABP4基因的表达,CdCl_2胁迫可抑制ScABP4的表达。由此推测,ScABP4基因可能参与甘蔗对病害、干旱、渗透、重金属等胁迫的应答过程。该研究结果为探讨甘蔗生长素结合蛋白基因的功能提供了实验证据。     

茶树CsCCD1和CsCCD4基因的克隆和表达分析

该研究以‘铁观音’茶树为材料,同源克隆了茶树类胡萝卜素裂解双加氧酶基因CsCCD1和CsCCD4 (NCBI登录号分别为MH119136和MH119137)全长cDNA。序列分析结果显示,CsCCD1序列全长1 766 bp,包含1 641 bp开放阅读框(ORF),编码545个氨基酸,定位于细胞质中,不存在跨膜结构和信号肽;CsCCD4序列全长1 942 bp,包含1 842 bp ORF,编码612个氨基酸,不存在跨膜结构,但在N端具有叶绿体转运肽,定位于质体中。进化树分析显示,CsCCD1和CsCCD4与杜鹃聚为一类。荧光定量检测显示,CsCCD1和CsCCD4在叶、茎和花中表达量较高。在乌龙茶做青过程中,CsCCD1和CsCCD4基因都是从鲜叶到晒青表达量下调,而CsCCD1在一摇和二摇显著上调表达,在三摇后下降;CsCCD4只在一摇后上调表达,之后表达量迅速降低。推测CsCCD1和CsCCD4基因可能与乌龙茶做青香气品质形成关系密切。     

巨桉BRI1基因的克隆和表达分析

为了解BRI1基因在巨桉中的功能,采用PCR技术克隆了EgrBRI1基因,分析了EgrBRI1的生物信息学和亚细胞定位,并对EgrBRI1基因响应激素和胁迫的差异表达进行了分析。结果表明,EgrBRI1基因全长3 893 bp,编码1 197个氨基酸。EgrBRI1蛋白稳定,空间结构复杂,存在3个motifs,主要定位于细胞膜。茉莉酸甲酯和油菜素内酯(BR)处理后,EgrBRI1基因在叶片中的表达上升,而水杨酸处理则没有明显的变化。盐胁迫和冷胁迫下,EgrBRI1基因表达表现为先下降后上升的趋势。因此,EgrBRI1基因能快速对外施激素做出响应,并在巨桉抗逆方面发挥重要作用,这可能是通过对BR信号的响应来实现的。     

铁皮石斛DoSMT2基因的克隆与表达分析

为了解SMT2基因在铁皮石斛（Dendrobium officinale）甾醇代谢过程中的作用,利用RACE技术克隆到1个DoSMT2基因,开放阅读框为1 089 bp,编码362个氨基酸,DoSMT2相对分子量为40.345 kD,理论等电点为8.13,属于稳定的亲水性蛋白。经BLAST P检索,DoSMT2蛋白属于AdoMet-MTases超级家族,含有4个S-腺苷蛋氨酸结合位点、1个甲基转移酶保守结构域和1个甾醇甲基转移酶C末端保守结构域。系统进化分析表明,DoSMT2与深圳拟兰（Apostasia shenzhenica）的SMT2亲缘关系最近,确定其属于SMT2家族。qRT-PCR分析结果表明,DoSMT2基因在茎和叶都能表达,10月份的表达量最高,叶片的表达量显著高于茎,推断叶片的甾醇代谢比茎活跃。构建了pET-29a-DoSMT2原核表达载体,并转化大肠杆菌BL21（DE3）,IPTG诱导表达出预期大小的蛋白。这为铁皮石斛DoSMT2的甲基化机制及甾醇化合物代谢研究奠定基础。     

龙眼体胚发生过程中DlAGO4基因的克隆及表达分析

该研究基于龙眼基因组数据库,采用RT-PCR技术,以‘红核子’品种龙眼松散型胚性愈伤组织cDNA为模板,进行龙眼胚性愈伤组织DlAGO4基因的克隆和生物信息学分析,并采用实时荧光定量技术分析其在龙眼体细胞胚胎发生不同阶段、不同组织部位、激素和非生物胁迫处理以及5-氮胞苷(5-azac)处理的表达模式。结果表明:(1)DlAGO4基因cDNA全长为3 425 bp,包含开放阅读框长度为2 781 bp,编码926个氨基酸。(2)生物信息学分析表明,DlAGO4蛋白为碱性亲水非分泌蛋白,含有AGO经典的保守结构域PAZ和Piwi,与克莱门柚CcAGO4的同源性最近,含有85个磷酸化位点和2个糖基化位点;亚细胞定位预测其最可能定位于细胞核;MicroRNA预测显示,DlAGO4基因受到4个miRNA靶向调控。(3)qRT-PCR结果表明,DlAGO4在龙眼球形胚阶段和种子中相对表达量最高;激动素、水杨酸、NaCl、甘露醇、PEG-4000和ABA处理均能促进DlAGO4基因的表达,而2,4-D和MeJA处理抑制其表达;不同浓度的5-azac处理1 d和3 d抑制DlAGO4的表达,但从处理第6天开始该基因呈上调表达,并于处理第12天相对表达量最高。研究认为,DlAGO4基因可能参与龙眼球形胚和种子的转录调控,且可能参与KT、SA的激素信号转导途径和NaCl、甘露醇、PEG-4000、ABA的逆境胁迫响应途径以及DNA甲基化调控机制。