GT类转录因子在植物中的亲缘关系分析
2024-01-10 09:01
论文总字数：24237字
摘 要
Trihelix转录因子家族在植物抗逆境和生长发育等方面发挥了重要作用。本文利用公布的水稻全基因组草图数据，采用生物信息学方法对水稻全基因组Trihelix家族基因的结构、系统进化关系、保守结构域、在不同组织中表达情况以及其根茎组织对不同激素的响应和Trihelix转录因子家族在水稻、短柄草、拟南芥和高粱中的亲缘关系进行了详细的分析。结果表明：水稻共有30个Trihelix类型基因，其蛋白长度在89aa至725aa之间，Trihelix基因从基因结构上具有较高的同源性，均含有特异性保守结构域。此外，在水稻染色体进行复制时不同染色体上的Trihelix基因存在一定的线性关系，表明水稻染色体之间发生了部分复制。另外，该家族基因在水稻的不同组织中均有表达，且其在根茎组织中的表达情况还受不同激素的影响。故对水稻Trihelix类型基因的系统分析，为进一步研究水稻Trihelix转录因子家族的克隆和功能奠定了基础。关键词：水稻；Trihelix转录因子家族；生物信息学
Abstract: Trihelix transcription factor family plays an important role in the process of anti-stress and growing development in plant. In our study, rice genome data were collected from rice genome sequencing database. The structure, evolution relation, conserved motifs, tissue expression, and the response to root, stem tissue’s expression in different hormones and the homologous relationship of Trihelix transcription factor family among rice, Brochypodium distachyon and Sorghum bicolor were researched by bioinformatics method including the softewares and the website databases. The results show 30 trihelix genes were identified in rice genome and protein amino acid number is between 89aa and 725aa. Trihelix genes have high conserved motif and have a certain linear relationship between different chromosomes. In addition, this gene family can express in different tissue of rice and different hormones have an effection on its expression in root and stem. So our study will lay a foundation for deep research of the function analysis of Trihelix genes.
Keyword: Rice; Trihelix transcription factor family; Bioinformatics
目录
1 引言 5
2 材料与方法 7
2.1 植物Trihelix超家族转录因子的鉴定 7
2.2 蛋白序列的比对和水稻Trihelix蛋白系统发生的进化树构建 7
2.3 Trihelix保守结构域的鉴定和分析 8
2.4 Trihelix转录因子家族在水稻，段炳草，高粱中的同源性分析 8
2.5 水稻Trihelix转录因子家族的组织表达分析以及根茎组织对于不同激素的响应 8
3 结果与分析 8
3.1 水稻Trihelix转录因子家族的鉴定 8
3.2 水稻Trihelix转录因子家族的进化分析 11
3.3 水稻Trihelix家族全长蛋白的结构性分析 12
3.4 水稻Trihelix转录因子家族染色体复制分析 14
3.5 Trihelix转录因子超家族在水稻不同组织中的表达模式分析 16
3.6 水稻Trihelix转录因子家族的根茎组织对于六种不同植物激素的响应机制 17
4 结论 19
参考文献(Reference): 20
致 谢 23
1 引言
转录因子，又称反式作用因子，是一类DNA结合蛋白，它能够与基因启动子区域的顺式作用元件发生特异性相互作用，并且对转录有激活和抑制作用。典型的转录因子含有DNA结合区、转录调控区、寡聚化位点和核定位信号等结构。在植物中约有60多个转录因子基因家族存在[1]，它们作为一类重要的调控基因，在植物抗逆境及生长发育等生物学功能方面具有重要作用，目前已被研究的转录因子家族有AP2/EREBP、NAC、MYB等。
Trihelix转录因子家族是一类近来才被研究的基因家族[2-7],因为它的DNA结合结构域中含有3个串联的螺旋结构（螺旋-环-螺旋-环-螺旋）才被命名为Trihelix。另外，又因为该结构域能与DNA序列上的光应答元件GT元件特异性结合，故此家族也被称作GT因子家族[8,9]。近期研究发现，Trihelix转录因子家族不仅仅为植物所特有，而且动物中也可能含有该家族基因[10]。从基因数目作比较可知，Trihelix家族属于转录因子家族里面的一个小家族，根据序列预测在拟南芥和水稻中分别只有30和31个成员。目前该基因家族在模式生物拟南芥、水稻、豌豆、大豆和烟草等植物中的成员都或多或少的被克隆。而从豌豆细胞核中分离得到的GT-1蛋白因子[8]是最先被鉴定的Trihelix转录因子家族基因，随后Lam等[11]从烟草中克隆到烟草GT-1因子，并证实其含有3个串联的α螺旋结构域。由此对Trihelix家族基因的研究陆续展开，但之后的研究都只局限于它们对光依赖性靶基因的调控[12],直到本世纪随着一系列具有重要功能的家族基因被发现，对Trihelix家族的功能认知才得以扩宽，逐渐成为近期生物学家关注的热点[2-7]。
Trihelix转录因子家族DNA结合结构域中的3个串联的螺旋结构在家族不同成员间保守性很强，通常以单个或两个形式存在，含有碱性和酸性氨基酸、脯氨酸和谷氨酰胺。Trihelix与MYB的保守结构域具有一定的相似性。MYB转录因子保守结构域也有3个连续的α螺旋，但这种结构域一般以2个或者3个串联形式存在，对Trihelix基因家族进行进化分析，推测该家族起源于一个MYB-like基因，尽管如此，它们的保守结构域之间仍然不同，即Trihelix保守结构域每两个螺旋之间插入的氨基酸序列要比MYB长，故它们在三维构象上存在差异，这是导致它们对DNA识别元件不同的原因[13]。有些Trihelix家族基因含有两个Trihelix结构域，通过生物信息学方法对公共数据库所有可能的Trihelix转录因子进行相应分析，结果表明这两个结构域是由同一个祖先结构域通过自身加倍形成，这一加倍事件发生在苔藓和被子植物的祖先分化之前，并且这类基因在进化过程中经历了一系列的突变，从而引起功能适应性的变化[10]。Trihelix家族根据该亚家族第一个被发现成员的名字可被分为GT-1、GT-2、GTγ、SH4和SIPS1 5个亚家族[7]。GT-1亚家族基因是最早被鉴定的Trihelix家族成员，目前在拟南芥、水稻和烟草中都有相关成员被克隆[11,14-19]。该家族基因在N端含有两个结构域，即Trihelix结构域和第4α螺旋结构域，后者紧靠着N端Trihelix结构域下游，结构域序列很短但保守性非常强，序列一般为(F/Y)-(F/Y)-X-X-(L/I/M)-X-X-(L/I/M)，X代表亲水残基（一般为R、K、D或E）。分析拟南芥30个Trihelix家族成员发现，GT-2亚家族最大的特别之处在于含有两个Trihelix保守结构域（N端三螺旋结构域TN和C端三螺旋结构域TC）, 除GT-2亚家族外，其他亚家族均只含有一个。拟南芥几乎所有GT-2亚家族成员均已被克隆和功能鉴定[7]。另外，水稻、大豆、豌豆以及白杨中也有该家族成员被克隆[13,20-24]。SH4亚家族基因[25]是近几年才被鉴定出的Trihelix家族基因，只含有一个N端Trihelix结构域和一个C端长的α螺旋结构域（S），不含第4α螺旋结构域。目前只有在水稻中鉴定出一个该亚家族成员SH4，也被称为SHATTERING(SHA1)[2,3]。对水稻的Trihelix基因家族进行系统分析，Fang等[5]挖掘到一个全新的亚家族GTγ亚家族，该亚家族基因除含有一个N端Trihelix结构域和第4α螺旋结构域（F）外，在C端含有一个长的α螺旋结构（G），与已知的其他亚家族C端α螺旋结构不同。在拟南芥中，该亚家族基因的研究属于空白，目前只有水稻4个GTγ成员OsGTγ-1、OsGTγ-2、OsGTγ-3和OsGTγ-4基因被克隆，其中部分基因功能得到鉴定[5]。 与GTγ亚家族类似，SIP1亚家族基因除含有N端Trihelix结构域、第4α螺旋结构域（F）、C端长α螺旋结构域（S）三个结构域。Trihelix结构域的第3个串联重复的内部疏水区保守氨基酸为苯丙氨酸，而在SIP1亚家族中此位点被异亮氨酸取代，这是SIP1亚家族与GTγ亚家族的差别之处；另外，二者C端长α螺旋结构域区别也较大[7]。目前在烟草和拟南芥中有少数SIP1亚家族成员被克隆和功能鉴定[4,6]。
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