植物基因家族的进化1

中国科协第81次青年科学家论坛，北京，2003年11月 植物基因家族的进化 陈军顾红雅 北京大学生命科学学院蛋白质工程及植物基因工程国家重点实验室，北京，100871 ．guhy@pku．edu．cn 摘要：基因家族的起源、分化的分子机制的研究是生物进化研究领域的重要内容之一，随着各种生物基因组的测序工作 的完成，人们对基因家族研究的兴趣越来越浓。本 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 具体介绍了植物中一些被研究得较为深入的基因家族的情况，包括 MYB和MADSbox转录因子、抗病(R)基因、防御基因以及参与次生代谢的查尔酮合酶基因。MYB转录因子是植物转录因子 家族中最大的一个超家族，其成员有可细分为三类，人们对它们的起源与分化有截然不同的看法；大多数植物的MADSbox 基因家族成员的功能与生殖生长有关，对它们的起源和分化的研究将对揭示被子植物的辐射性演化机制有很大的帮助。 关键词：基因家族，MYB基因，MADSbox基因，查尔酮合酶基因，分子进化 Abstract：Asmoreandmoregenomeprojectshavebeencompleted，moreandmoreattentionhasbeenfocusedoilthestudiesof variousgenefamilies，especiallyontheiroriginanddivergence．Thisarticlepresentssomecasestudiesoncertainplantgenefamilies inwhichthestructure，function，origin，anddifferentiationofthefamilieshavebeenextensivelyexplored．Thesefamiliesinclude MYBtranseriptionalfactorgenefamily,MADSboxtranscriptionalfactorgenefamily,diseaseresistant(R)anddefensegene families，andchalconesynthase(CHS)genefamily．TheMYBgenefamilyisthebiggestfamilyamongalltranscriptionalfactorgene families．Themembersinthissupperfamilyinvolvealmostallprocessesinp1如tgrowthanddevelopment．Differenthypotheses havebeenproposedfortheoriginanddivergenceofMYBgenes．MostoftheMADSboxgenesarerelatedtothetransitionfrom vegetativegrowthtoreproductivegrowthandtotheinitiationanddevelopmentofflowersinplants．Themolecularmechanismof thedupficationanddivergenceofMADSboxgenesareveryimportantinunderstandingtheradiationevolutionofearlier angiosperms． Keywords：Genefamilies，MYBgene，MADSboxgene，chalconesynthasegene 1．引言 由同一个祖先基因通过基因重复和变异产生的、其外显子相关的一组基因称为基因家族(《GENEVII》)。 在许多文献中，基因家族包括了功能相关的所有基因，比如植物蛋白酶抑制剂家族(Ryan，1990)。人们 通常利用核苷酸序列或者其编码的氨基酸序列的相似性来判断基因的同源性，比如有人认为基因所编码的 氨基酸序列之间有50％的相似性就可以认为它们是同一个基因家族成员；有30％一50％甚至20％以上的 氨基酸序列相似性的一些基因就可以归为超基因家族，如免疫球蛋白超基因家族等。 在基因家族的研究 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 中，人们还常常遇到假基因。假基因是基因组中因突变而失活的基因，和同一 家族中的活跃基因在结构和序列上有较大的相似性。假基因具有较高的进化速率，人们在进行分子进化及 系统分析时一般不把它与功能基因放在一起分析。 随着分子生物学和基因组学的发展，人们已经从植物和动物中克隆到了不少的基因家族，如植物中与 黄德双，张学工，田捷，刘湘军主编 调控发育有关的HD基因家族和MADS基因家族、抗病基因家族、光敏色素基因家族等；动物中的血红蛋白 基因家族、MHC基因家族、免疫球蛋白基因家族、ltox基因家族等。对动物基因家族的研究较早，也较为 深入；对植物基因家族的研究起步虽然较晚，但近年来发现越来越多的植物基因属于或大或小的基因家族， 这种情况引起了人们的广泛兴趣。 对基因家族的研究不仅仅限于对其结构和功能的分析，而且扩展到对其起源和进化机制的研究。基因 家族为真核生物提供了大量的基因产物，这些产物是生物在特殊发育阶段和环境变化时所需要的，这对真 核生物的适应辐射进化具有重要作用。尽管人们对动物基因家族的进化研究提出了几种假说，但基因家族 到底如何起源、怎样进化及如何产生多样性的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 仍然很不清楚。本文将对目前研究较多的植物基因家族 作一个综述，进而讨论一下它们的分子进化机制。 植物转录因子基因家族 2．1IIyb基因家族 Myb基因家族可能是植物中最大的转录因子基因家族。第一个被确定的Myb基因是原癌基因v-Myb， 源于鸟类成髓细胞性白血病病毒，该病毒可导致急性成髓细胞性白血病(Klempnaueretal，1982)。脊椎 动物包含相对较少的v-Myb相关的基因，按照功能划分为三种Myb基因：c-Myb，A-Myb和B-Myb，它们参 与调控细胞的增殖、分化、以及凋亡过程(Lipsick，1996)。与动物相比，有花植物的基因组中具有大量 的Myb基因，比如在拟南芥基因组中有198个Myb基因(待发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf )；玉米中发现了80个表达的Myb基因序 列(Rabinowiczetal，1999)；棉花中发现大约200个gyb基因(Cedronietal，2003)。MYB家族中的 蛋白有一个共同的特征，即具有一段保守的DNA结合域——一段由约52个氨基酸组成的、含有一些不 完整的重复、用于特异结合DNA序列的区域，而MYB结构域之外的序列则高度分歧(Rosinski＆Atchley， 1998)。例如在c—MYB的MYB结构域中含有3个重复区域，分别称为R1，R2和R3，可以形成3个螺旋一转 角一螺旋结构。对于不同的MYB蛋白，其MYB结构域中所含有的不完整重复区域的个数不同，而这成为了 MYB蛋白的分类依据。植物中，MYB蛋白可分为三类：只含有一个区域的MYB相关蛋白、含有两个重复区 域的R2R3MYB蛋白，以及含有三个重复区域的MYB3R蛋白，其中R2R3MYB最为常见，有125个之多(Stracke eta1．2001)。 植物k／yb基因的结构和功能高度分化。大部分植物gyb基因的功能尚不清楚，现有的研究表明它们具 有多种功能，如控制二级代谢，特别是花青素和类黄酮的合成(Grotewoldetal，1994)：调节细胞形态 (Oppenheimeretal，1991)：介入信号传导途径，特别是激素应答(Uraoetal，．1993)以及防御反应 (Yand&Klessig，1996)等。 对MYB蛋白序列的系统分析表明动物MYB的进化与植物的截然不同：动物MYB的进化高度有序，c-Myb， A-Myb和B-Myb3个基因类型来源于同一个最近的共同祖先；历史上发生两次基因重复，形成了目前的3 个基因类型(Rosinski＆Atchley，1998)。植物MYB蛋白在系统发育上则非常复杂，这些蛋白不能轻易 地归于一个最近的共同祖先，除非与动物、真菌和粘菌的Myb基因放在一起分析。多个文献认为植物R2R3 Myb基因通过3R基因丢失Rl而起源(Lipsick，1996：Rosinski＆Atchley，1998)，然后在距今大约250 --400Mya(百万年)时，R2R3基因发生爆发般的基因扩增(Rabinowiczetal，1999)。R2R3基因比较平 均地分布于植物基因组中，并没有形成类似于R一基因的基因簇。最近有观点认为以上的“丢失模式”进化 需要的步骤过于繁琐，需要5个进化步骤，不如用“获得模式”解释来的简约，即动物、植物和粘菌中的 祖先3RMyb基因通过2R基因获得R1结构域后而起源，然后在动物中2R基因消失。按照这个模式只需要 中国科协第81次青年科学家论坛，北京，2003年11月 2个进化步骤(Jiang，2004)。 尽管植物R2R3基因的C端区域具有很高的分歧度，但最近的文献表明它们的c端区域仍然受到纯化 选择，而非中性突变或正向选择的结果(Diasetal，2003)。作者选取了最近发生重复的4对姊妹基因 进行碱基替换分析，发现C端区域的非同义替换率／同义替换率(∞)确实要高于MYB结构域的∞值，但 低于1，表明这个区域受到中等程度的纯化选择。由此可以推测植物R2R3基因的C端区域所拥有的功能比 先前认为的(Goffetal，1991：Sainzetal，1997：Grotewoldetal，2000)要重要的多。 2．2_加S--box基因家族 MADS-box基因家族是另一类编码转录因子、调控发育的基因家族。MADS基因的命名来源于最初发现 的4个基因产物：酵母的嬲拟南芥的AG,金鱼草的BEFA和人的岛EblADS-box基因以包含一个约180bp 的MADS-box区域为特征，这个区域编码一个保守的DNA结合和二聚化的结构域，称为^IADs结构域(Shore ＆Sharrocks，1995)。MADS—box蛋白的同源或异源二聚体的形成，对于转录激活因子在特异DNA序列上的 结合活力是必需的。动物的MADS—box基因按照系统发育划分为两类：SRF型和MEF2型(Theissenetal，1996： Hasebe＆Banks1997)。植物的MADS-box基因则划分为3种类型：MIKCc型、MIKC‘型和M型。MIKC。型和 MIKC’型基因都包含保守的MADS和K结构域(类角蛋白结构域，keratin一1ikedomain)，但它们之间的外 显子／内含子结构不同；M型基因则缺少K结构域(Alvarez—Buyllaeta1．2000；Henscheleta1．2002)。 MIKC。型基因包含MADS、I(intervening)、K和C(C—terminal)结构域，在包括种子植物、蕨类和苔藓类 多种陆生植物中发现(Theisseneta1．2000：Henscheleta1．2002)。这类基因在植物中也具有多种 不同的功能，如生殖器官的起始和分化；果实的细胞分化以及根的形态建成(Vrebaloveta1．2002)。 MIKC+型基因最先在一种藓类(Henscheleta1．2002)和一种石松(Svenssonetal，2000)植物中发现， 其与MIKC6型基因差别在I结构域的外显子／内含子结构；最近在拟南芥基因组中发现了6个MIKC+型基因 (Kofujieta1．2003)。在拟南芥基因组中还发现了大量M型基因(Alvarez—Buyllaeta1．2000)，但 是大多数这类基因没有检测到有表达，可见大部分M型基因有可能是假基因(Kofujieta1．2003)。MIKE’ 型基因和M型基因的功能尚不清楚。 陆生植物的大多数已知MADS—box基因是在孢子体(双倍体)组织中表达的，只有少数基因在配子体(单 倍体)组织中表达。基于陆生植物起源于没有多细胞孢子体组织的配子体，孢子体世代是陆生植物在进化 过程中获得的(Grahametal，2000)，因此那些在配子体组织中表达的MADS—box基因最可能具有原始功 能。Northern杂交的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 检测到7个拟南芥的MADS—box基因在花粉(雄配子体)中表达，其中2个MIKC6 型基因，4个MIKC+型基因和1个M型基因。这些基因可以用于研究陆生植物MADS—box基因未知的原始功 能(Kofujieta1．2003)。 从已发现的大量MADS—box基因来看，基因重复、变异和失活是此基因家族的主要进化机制。如拟南 芥的APl和CAL基因来源于近期的一次基因重复事件，因为重复的CAL基因只存在于十字花科中；肥了和 仃基因则来源于更早的基因重复事件，发生在大多数被子植物的分化之前(Krameretal，1998)。系统 发育分析表明上述5个类型的MADS—box基因(SRF型、MEF2型、MIKC‘型、MIKC+型和M型)，除了M型外， 都很可能是单起源的；拟南芥中的M型基因是多起源的，因为它们在系统发育数中不能归为单源的一组。 推测M型基因来源于MIKC。型或MIKC’型的重复基因，由于无功能化、突变积累以及系统发育分析中的“长 支吸引”现象，使得它们在系统发育树中的位置远离了它们的MIKC6型或MIKC’型姊妹基因(Kofujieta1． 2003)。 黄德双，张学工，田捷，刘湘军主编 2．3Homobox㈣基因家族 Homeobox(船)基因家族也是一类编码转录因子来调控生物发育的超基因家族。该基因家族在后生动 物、陆生植物和真菌这三个界中都有报道。皿基因编码转录因子，包含一个由保守的60个氨基酸序列组 成的同源域(Homodomain)，它主要的功能是帮助转录因子与DNA特异序列的结合。在果蝇中，皿基因家 族作为同源选择者基因(homeoticselectorgenes)，调节体轴的构建和器官的发育。被子植物皿基因 的功能不同于同源选择者基因，因为在植物中异位表达的HB基因不能产生同源转换(homeotic conversion)。 人们现已克隆了很多被子植物的船基因，可依据它们的氨基酸相似性将其分为7个组：KNOX、BELL、 HD—PHD—finger、HATl、HAT2、GL2、ATHB8。后四个组中的基因也同时编码一个亮氨酸拉链，邻接于同源 域的c一末端，共同组成同源域一亮氨酸拉链(HD-ZIP)基因家族。这四组被子植物的船基因被按顺序命 名为HD-ZIPI一Ⅳ亚家族。一个同源域和一个亮氨酸拉链的结合，在高等植物中是独特的。虽然植物中的 所有的HD—ZIP基因可能编码转录因子，但它们所调节的生物过程还不清楚。．人们通过将这些基因的正义 或反义链转入植物过量表达或抑制HD—ZIP基因，研究它们在发育或特殊生理状态的表达对植物的影响， 发现HD—ZIP的功能包括光形态建成和光调节反应、水分亏缺和渗透胁迫、维管组织发育、根毛的发育等。 在低等植物类群中类似的工作则很少。Aso等人(1999)第一次从蕨类的具同形孢子的薄囊蕨亚纲 CeratopterisRichardii中分离出11个HD～ZIP基因(命名为Crhbl一伽611)。对这11个Crhb基因及 以前报道的被子植物HD—ZIP基因进行系统发育分析，结果为这11个Crhb基因属于四个不同的被子植物 HD—AIP亚家族中的三个亚家族HD—ZIPI、II和Ⅳ，这意味着HD—ZIP基因的这三个亚家族在蕨类植物和种 子植物谱系的分化以前就存在了，它们出现在薄囊蕨亚纲和种子植物的共同祖先中。根据以上的结果，Aso 等人认为HD—ZIP亚家族III也是一个古老的亚家族，只不过它在蕨类谱系的进化过程中丢掉了；当然， 现在还不能排除蕨类植物基因组中亚家族III存在的可能性。Crhb4--8和Crhbl1基因属于HD-ZIPI亚家 族，但不同于被子植物的HD—ZIPI基因，在亮氨酸拉链中有一个7个氨基酸的插入／缺失(indel)。这样 就可以用这7个氨基酸，将所有的被子植物基因与所有蕨类基因区别，虽然不知道这7个氨基酸是被子植 物丢掉了还是蕨类植物后来获得的。另外，这11个Crhb基因的表达式样不尽相同，Crhbl和Crhb3在配 子体组织中表达，Crhb2和Crhbll基因在所有检测的组织中均无表达，其余所有的Crhb基因在大多数的 孢子体和配子体组织中都表达。虽然Crhb基因的功能不清楚，但它们的表达式样表明它们可能在蕨类的 孢子体和配子体世代中交替调控着发育或生理过程。 3．栏物抗病基因家族和防御基因家族 3．1抗病(R)基因家族 植物在长期的进化过程中，需要不断地抵抗病原微生物、昆虫甚至食草动物的侵害，在此过程中，植 物获得了一系列复杂的防御机制来保护自己。超敏性反应(hypersensitiveresponse，HR)在很多植物 的抗病过程中经常可以见到，是一种由局部细胞迅速坏死而导致的抗病反应。就寄主一病原间专一性的侵 染和抗病反应中发生的超敏性反应，Flor提出了基因对基因假说：植物是否具有对某种病原的特异抗性要 看它是否具有相应抗性基因，而病原是否具有对某一植物品种的专一致病性要看它是否具备无毒基因 (avirulencegene)，只有当具有相应抗病基因的植物与具有相应无毒基因病原相遇时，才会激发植物的 抗病反应。 目前许多植物中控制基因对基因抗性的基因已被鉴别出来，这些基因被称为抗病基因(刀基因)。植物 中国科协第81次青年科学家论坛，北京，2003年11月 中相当多的斤基因是多基因家族的成员。根据预测的蛋白质的结构，现已克隆的抗性基因被分为五类(Song etal，1997)。第一类以玉米的基因IlYl为代表，它编码一个还原酶，使一种真菌毒素失活；第二类包括 番茄基因Pto，编码一个有活性的丝一苏蛋白酶，与avrPto基因产物和由番茄基因Pti编码的一个丝一苏蛋 白酶相互作用；第三类的成员包括拟南芥的抗性基因肋妇和Rpml，烟草的朋亚麻的L6,番茄的尼Z 这一类成员的共同特征是存在富含亮氨酸的重复序列(LRRs)；第四类以番茄的甜组(Cf9和蚴)为代 表，介导对真菌病原体CladosporiumfulVlllll的抗性。纾基因编码在细胞外结构域上具LRR模式的膜锚定 蛋白，以及细胞内结构域的一个c一端短尾巴；第五类以水稻基因屁幻为代表，介导对Xanthomonasoryzao pvoryzae的抗性。始刀编码一个细胞外结构域上的具LRR的受体蛋白酶(类似于番茄C卜9蛋白)和一 个细胞内结构域上的丝一苏蛋白酶(类似PTO蛋白激酶)。Xa21的结构可能表明了在抗性基因的不同类之间 的一种进化上的联系。 一般认为重复、重组和偶尔的转座事件，造就了庞大的斤基因家族(Songetal，1997)。番茄中的 Cf-2位点存在两个串联的拷贝，且相互之间仅有3个核苷酸的差异，这可能是基因重复的较为直接的证据， 同时也说明这个基因重复事件是最近产生的。许多刀基因在染色体上成簇排列，这样的结构有利于不均等 重组(unequalrecombination)的发生，而不均等重组是基因重复和嵌合基因产生的重要来源。月基因簇 的不均等重组影响了一段特殊DNA序列的进化，同时，月基因簇在染色体上的结构也决定了重组的结果， 影响了序列的多样性：一个基因家族的各成员在染色体结构上的隔离可能把该家族分化成互不联系的类 型。例如水稻的Xa21R基因家族，其家族成员属于两类，被连接于串联重复基因的同一个簇中。同一类的 成员有超过95％的DNA序列一致性，但两类的成员之间只有63．5％的一致性。两类成员间的重组，只发 生在近5’端高度相似的一小段(Songetal，1997)。番茄的整个Hcr9基因是序列分化的一个极端例子， 它解释了染色体上的隔离如何完全导致了独立的基因家族的产生(Parniske＆Jones，1999)。串联重复 的肋内基因的三个基因座一．孵(SouthernCross)，k／g(MilkyWay)和NL(NorthernLights)位于番茄 1号染色体的短臂上。在它们的进化过程中，基因家族成员之间存在着序列交换，但勉的分化程度高于 脚和．纸与删和．彤相比，肥可能位于番茄1号染色体的一个不太容易发生重组的区域。 拟南芥的Rpml基因可能暗示着抗病基因家族还有别的进化方式(Grantetal，1995)，该基因对具 有avrRpml和avrB的病原均表现出抗性。这种识别过程中存在的双重特异性，或许是植物在进化中获得 的既能减少R基因绝对数量又可满足其对众多病原特异性识别需要的一种方式。 大量的交换必将导致基因家族内序列间的差异性及其相应特性的丢失，因而必定有一种机制，使串联 排列的同源斤基因之间分歧而得以共存。人们就此问题提出了一些假说。Michelmore＆Meyers(1998) 提出了月基因簇进化的生与死模型(BirthandDeathModel)。该模型参考了脊椎动物衄C和免疫球蛋白 基因家族的进化模型，认为对具有LRRs的斤基因来说，病原入侵的识别器一--LRRs中的某些残基受到趋 异选择，导致了一个单倍型(haplotypes)内的各个基因的分歧，由于选择是作用于整个基因组的，含有 有益突变的月基因的单倍型有可能在群体中扩散：另一方面，基因间的不等交换造成的基因重复和基因转 换(geneconversion)导致斤基因的～致进化，重复了的月基因之间序列的高度相似，不等交换的频繁 发生，而使得重复的基因更加不稳定，导致了进一步的重复和缺失。但重复基因的快速趋异有可能降低了 不等交换的频率，一些变异和衍生的成员就在单倍型中固定了下来。Parniske和Jones(1999)也认为斤 基因的进化过程是多样化与保守性之间的一种平衡，也就是这两种相反的力量决定了厅基因家族的进化动 力。由于病原体的不断进化，使得厅基因家族中的新成员得以固定，导致了植物不断有新的抗原去适应变 化了的病原体。 黄德双，张学工，田捷，刘湘军主编 除了上面的观点外，Ana和Barbara等人(1999)在他们对拟南芥RPS2基因的多样化和分子进化的研 究中，认为在RPS2基因座上的多态性是符合中性突变理论的，但这个基因座也有发生自然选择的可能， 包括植物和病原之间的频率依赖性选择或“进化上的军备竞赛”，偏向于产生增加表型和等位基因的多样 性，以适应病原的进化。 尽管植物斤基因在识别病原过程中具有关键作用，但这些基因本身没有任何防御功能，植物对病原的 防御功能是主要由防御基因实现的。其中一类防御基因是复杂生化通路中的一环，这些通路最终会产生复 杂的化学物质，比如植物杀菌剂(phytoalexin)和木质素等，以展开防御反应。另一类基因则直接编码防 御蛋白，比如富羟脯氨酸糖蛋白、富甘氨酸糖蛋白、几丁质酶、B一葡聚糖酶、其它PR蛋白以及蛋白酶抑 制剂(Ryan，1989，1990)。后～类植物防御蛋白与敌害目标分子之间存在致毒一解毒分子相互作用为特征 的“军备竞赛”(Kniskern＆Rausher，2001)，这样的竞争导致了敌对的两种分子各自的直系同源后代之 间在活性位点上的剧烈变异。比如目前发现十字花科的Arabis属的多个种中抗真菌几丁质酶受到正向选 择，其中最大比例的氨基酸替换发生于活性位点口袋(Bishopetal，2000)。这意味着在过去漫长的时间 内发生了反复的协同进化：随着时间或地理位置的改变，植物几丁质酶的活性区域，在病原菌中不断出现 的新的几丁质酶抑制剂的选择压力下，也不断变化。然而在一些情形下，病害以基因家族的方式来渗透植 物的防御，比如植物蛋白酶抑制剂与昆虫蛋白酶之间的相互作用。植物蛋白酶抑制剂是很好的防御蛋白， 能抑制昆虫的消化功能从而导致其营养不良。现在发现昆虫可以通过分泌新的、对现有蛋白酶抑制剂不敏 感的蛋白酶，改变食道中蛋白酶的组分，来适应食物中的蛋白酶抑制剂(Jongsmaetal，1995：Broadway， 1996)。比如当用包含巨芋蛋白酶抑制剂(gianttaroproteinaseinhibitor，GTPI)的转基因烟草喂食 棉铃虫(ttelicoverpaarmigera)时，尽管肠道的胰蛋白酶活性降低了58％，其它消化酶比如胰凝乳蛋白酶 和弹性蛋白酶的活性却增加了，这很可能就是为弥补被GTPI抑制的消化酶活性而产生的现象(Wueta1， 1997)。最近，当用包含胰蛋白酶抑制剂的食物喂食美洲棉铃虫(Helicoverpazea)后，从昆虫肠道分离到 一种新型的胰蛋白酶，对其它肠道胰蛋白酶有效的四种植物蛋白酶抑制剂对该酶却不起作用(Volpicella， 2003)。由此可见，针对植物的某一类型的蛋白酶抑制剂，敌害会适时地表达不同的蛋白酶绕过植物的防 线。在这种情况下，植物必须具有同时产生多种蛋白酶抑制剂的能力。 3．2防御基因家族 作者的实验室在水稻中发现了～个具有至少10个成员的Bowman—Birk蛋白酶抑制剂(Bowman—Birk inhibitot，BBI)基因家族(Queta1．，2003)。BBI蛋白目前只在豆科和禾本科植物中有发现，其以BBI 结构域为单位对蛋白酶起抑制作用。豆科BBI蛋白只有一个结构域，每个结构域有两个位点，通常N端位 点抑制胰蛋白酶，C端位点抑制胰凝乳蛋白酶；禾本科BBI蛋白含有含1—3个数目不等的BBI结构域，每 个结构域只有N端活性位点有蛋白酶抑制活性，C端位点可能已经退化(thenetal，2004)，不同类型的 N端位点专一地抑制胰蛋白酶或胰凝乳蛋白酶。水稻的10个BBI基因分布在水稻l号染色体约430kb范 围内，其中7个成员以首尾相连的方式成簇排列在更短的31kb内，这7个膨龇基因含有2—3个同源结 构域。这种基因在染色体上的排列结构，很容易发生不均等重组。事实上，作者确实发现了近期发生的基 因重复和基因转换事件，从而推测单子叶植物中具有三个结构域的基因可能是由两个串联重复的、具有两 结构域的基因通过读码框内的不等交换形成的。水稻BBI结构域的二硫键连接模式、系统发育分析和蛋白 酶抑制活性都表明水稻的BBI可以明显地分为2个亚家族：MSl和MS2(WlPI)，MSl亚家族主要抑制胰蛋白 酶，其成员蛋白具有2—3个结构域。MS2(WIPl)亚家族由2个串联重复基因组成，可能专一抑制胰凝乳蛋 白酶。通过分析MSlBBI结构域的选择压，发现部分结构域受到了强烈的分歧选择，其中一个结构域在N 中国科协第81次青年科学家论坛，北京，2003年11月 端反应回环区受到密集的分歧选择，表明了这个反应回环受到强大的分歧压力。作者认为水稻多个BBf基 因能共存的主要原因是强大的分歧选择压力的存在，但也有可能由水稻基因组本身的特征和剂量需求造 成。 4．植物次生代谢相关的基因家族 类黄酮物质是广泛存在于高等植物中的次生代谢物质，在植物生长发育过程中起重要作用，例如与植 物花色形成有关，防紫外线损伤，参与抗病，参与豆科植物根瘤的形成等(Koesetal，1994)。查尔酮 合酶(ChalconeSynthase，CHS)是类黄酮物质生物合成途径的关键酶，催化3个分子的丙二酰CoA与1 个分子的香豆酰CoA生成4，5，7一三羟基黄烷酮(naringeninechalcone)。从已报道的CHS基因来看， 其基因结构很保守，除了金鱼草(Antirrhinummajus)的CIIS基因(砌㈣含有两个内含子(Sommer＆ Saedler，1986)外，其它已知的基因都包括一个内含子和两个外显子，并且内含子的位置在不同物种中 均相同，位于65位的半胱氨酸密码子(以欧洲赤松PSCHS为参照；F1iegmannetal，1992)的第一个 与第二个碱基之间。CHS极为一致的基因结构说明所有的CHS基因可能来源于一个共同的祖先基因。 被子植物物种中a移1ike基因多以基因家族的形式存在，但不同物种中CHS-Iike基因数是不同的， 在拟南芥(Kochetal，2001)、金鱼草(Wienandetal，1982)等物种中只有一个CHS基因，而在豆科、 茄科的一些物种中CHS基因数甚至达到了8个以上。豆科植物的CHS基因拷贝数最多，这可能与CHS基因 在豆科植物中的多种重要功能有关，除了防UV损伤、抗病的功能外，还参与根瘤的形成等。Ito等人(1997) 把豌豆(Pisumsativum)CHS基因家族的8个成员依据序列的相似性把它们分为3组，发现这三组的表达 模式是不同的：第一组的尸5∞研、尸5锄醪和用秘醪在根与花中组成型表达，并在Uv及elicitor处理后 大量表达；序列相似性最高的第二组中包括尸5伪∞、尸5珏明和PSCHS5,也可被UV及elicitor处理后表 达，但只在根中组成型表达；序列相似性最低的PSCHS6和PSCHS7为第三组，它们只在根中微弱表达，在 花中检测不到，且不能被UV及elicitor处理诱导表达。重复基因可分布在不同的染色体上，对从矮牵牛 (Petuniahybri如)的基因组文库中获得的6个全长CHS基因进行进化起源和在不同组织中的表达研究， 发现它们分为两个亚家族位于第1I和第VI条染色体上，同一染色体上的CHS基因之间的相似性要高于不 同染色体之间的，表明同一染色体上的重复基因来自较近的一次重复事件(Koesetal，1989)。 伪争1ike基因的重复在历史上反复地发生，比如甘薯属(Ipo衄oea)、菊属(Dendranthema)CHS基因 的重复是发生在物种分化以前(Durbinetal，1995：Yangetal，2002)，而豌豆(Pisumsativum) 的CHS基因家族成员来自于物种分化以后较近的一次重复事件，它们序列的相似性很高，在系统树上聚成 一支，与豆科的其它物种分开(Anetal，1993；Itoetal，1997)。基因的重复为新功能基因的产生创 造了条件， 使得物种更好地适应环境。裸蕨中4个有表达活性的臼睁1ike家族成员执行着不同的功能： PnJ与PnP分别以香豆酰CoA和异戊酰CoA为底物催化CHS环化结构的形成，表明PnJ是CHS，PnP是 phlorisovalerophenonesynthase；另外，Pnl和PnL以肉桂酰CoA(cinnamoy卜CoA)为底物催化1， 2一二苯乙烯合酶(STS，stiIbenesynthase)环化，因此它们可能是赤松素合酶(pinosylvinsynthases)。 STS是在富含l，2二苯乙烯的植物中发现的，该类基因在植物受真菌或其它逆境伤害时可诱导表达以提高 植物的抗性。STS基因与CHS基因序列的相似性很高，基因结构也相同，只需突变几个氨基酸残基，就可 使得CHS具有．，巧的活性(Tropfetal，1994)，两者结构的差别在于STS的环化反应121袋比CHS的大， 这样，有的STS与CHS催化的底物虽然是相同的，产物却不同，如白藜芦醇合酶(Ferreretal，1999)， 黄德双，张学工，田捷，刘湘军主编 大的口袋有利于白藜芦醇的形成。在裸子植物欧洲赤松、北美乔松中也发现了两种STS：二氢赤松素合酶 和赤松素合酶(F1iegmannetal，1992；Raiberetal，1995)。系统发育分析表明(Tropfetal，1994： Helariuttaetal，1995)，STS基因在分子系统树上并不形成一个独立的分支，而是与同一科的物种中的 CHS基因在一起，因此认为STS基因是由CHS基因进化而来，并在不同物种中独立发生多次。除了STS基 因外，在菊科植物中还发现了CHS的另一类新基因——类GCHS2基因。这类基因的产物催化的底物为苯甲 酰CoA(benzoylCoA)，产物为CHS催化反应的中间物。Helariutta等人(1995)首先从Gerbershybrids 中发现了类GCHS2基因，它与CHS基因的相似性很高，氨基酸相似性大约为70％，基因结构也与CHS相同。 Yang等人(2002)利用CHS基因构建菊科系统树时，发现菊属Oendrsnthems的3个物种中有CHS基因序 列与6erberahybrids的类6CHS2基因聚在一支，认为它们也可能是类GCHS2基因，对这些基因的分子进 化分析表明，该类基因比CHS进化快，发生了较多的非同义置换，一些密码子位点受到了正选择作用，是 不是这个原因造成了新基因的形成，还有待迸一步研究。 重复的CHS基因在进化过程中序列与功能产生了趋异，有的基因就可能成为假基因。裸蕨中一个傩 基因尼坦失去了表达活性，可能成为了假基因。在被子植物中也发现有假基因的存在， 如在矮牵牛的12 个基因中，chsD无表达活性为假基因(Koesetal，1989)，而在具表达活性的CHS基因中也有一些在氨 基酸水平上的相似性非常低，这些基因编码的蛋白可能在酶的活性上发生了分歧。菊属Dendrsnthems中 口chsnetii的一个CHS基因优蝴和口vestirum的一个CHS基因DVCHS49也发生了读框移位，导致终 止密码子的提前出现(Yangetal，2002)。 更多物种的CHS基因重复事件是最近发生的，产生了物种中较多的基因数目，其基因家族成员的结构 与功能很相似，并没有出现假基因或形成新功能基因，但成员之间的表达模式可能有了差异。豌豆的8个 CHS基因的核苷酸序列相似性高达94％以上(Itoetal，1997)，显然它们是来自最近发生的重复事件。 在菜豆(Phaseolusvulgaris)中发现有4个CHS基因，CHSI、CHS4、CHSl4与CHSI7，它们之间的核苷 酸序列相似性高达96％以上，但CHSI，CHS4与CIISl4受激发子(elicitor)诱导表达，侧7却不受影响， 而在菜豆的下胚轴中CHSI受白光诱导，CHS4、CHSl4和CHSl7却不受影响(Ryderetal，1987)。 5．基因家族的进化机制 在动物中，对基因家族的起源有几种假说(Nicketal，1999)：区块重复和基因丢失模型(block duplicationandgenelossmodel)、适应假说(adaptivehypothesis)和杂交模型(hybridmodel)。 被广为接受的假说是区块重复事件和基因丢失事件导致了基因家族的出现。重复事件包括基因组的重复或 者是基因组某一部分的重复。Hox基因家族就是三次重复事件的结果。这种解释认为是单一事件即“一次 性的爆发”(“bigbang”)造成了基因家族的形成，不受突变和选择的影响，但存在基因的丢失和基因转 换(Smithetal，1999)。如果相关基因家族是在脊椎动物谱系内形成，那么脊椎动物中这些基因序列的 趋异时间应该在脊椎动物的起源之后；如果基因的重复发生在脊椎动物起源之前，那么脊椎动物的基因和 非脊椎动物的基因就有更大的相关性，两者的基因可能成簇排列。有的时侯，一些基因家族的起源不能用 重复事件来解释，但若把基因丢失和基因转换考虑进去，那么就可以看出基因重复事件的连续性。基因的 丢失情况，也可能是由于用来研究的相关基因家族的资料不连续所造成的。适应假说(adaptive hypothesis)则认为，基因重复和形成基因家族不会自发地进行。重复产生了同源的基因，接着发生一系 列的基因组重排，形成有许多基因连接在一起的适应性基因群。这一过程称为“slowshuffle”。如果选 择有利于同源基因排列在一起，那么就形成了基因家族。杂交模型(hybridmodel)是前两个假说的组合。 中国科协第81次青年科学家论坛，北京，2003年11月 原始的基因由于适应的原因组合到一起(基因产物连接在一起，相互作用，可能更有利于发挥调节功能)， 然后重复造成同源的基因家族，而只有那些受选择适应了环境的基因才保留到现在。 从上面介绍的这些基因家族来看，基因重复一般是进化新材料的必要来源，基因重复／趋异是基因家 族进化的主要机制。基因的重复／丢失事件、基因间和基因内的重组、转座子的存在，再加上适应性进化， 都可能在植物基因家族的进化中发挥重要作用。另外，基因组的结构也能直接影响基因的进化：如果多基 因家族的成员是作为一个基因簇存在的，那么该基因簇就能利用这种结构通过一个或多个不均等交换过 程，产生基因重复和新的嵌合基因。这种不均等交换在一些基因的进化中很重要，如Hox，主要组织相容 性复合体基因(肠功，免疫球蛋白基因(脚，RBCS(．rbcS基因)、植物月基因和水稻BBI基因等。串联排 列的多基因家族能够通过减数分裂的不等交换过程促进基因簇的快速进化。为了研究在多细胞体中的这个 过程，Jelesko等人(1999)在拟南芥中合成了一个RBCSB基因簇，用它去直接测试减数分裂的频率，以 及姊妹染色体之间的不等交换。它支持了外显子重组(exon—shuffling)造成基因簇的进化的模型，直接 测出了减数分裂不等交换导致基因簇的扩散和一个新的重组基因构成的频率(≈3×10。6)。 重复基因的进化可能有三种结果：第一种结果是，一个基因拷贝可能发生突变而沉默，称为无功能化， 而另一个基因拷贝则继续执行原来的功能；第二种结果是，一个基因拷贝的突变可能导致获得一个新的有 利的功能，在自然选择下保存下来，称为新功能化，另一个拷贝保持了原有功能；第三种结果是，两个基 因拷贝在突变积累下，它们功能的累加相当于最初单拷贝祖先基因的功能水平，称为亚功能化(Lynch＆ Conery，2000)。从以上列举的多个植物基因家族的进化来看，这三种进化情况不同程度地存在于不同的 植物基因家族中。但是很显然基因家族的进化明显地受其功能的限制，基因家族成员数目的增加与新功能 的获得密切相关。最明显的例子是Myb基因家族在动物和植物中不同的进化历程。在动物中，Myb参与细 胞增殖，而在动物的整个发育过程中细胞增殖处于极为严厉的调控之下，否则一旦细胞增殖失控，机体很 容易形成肿瘤。因此动物Myb基因处于强烈的稳定选择之下，这解释了为什么动物Myb基因的系统发育树 的拓扑结构高度有序。尽管大部分植物Myb基因的功能尚未知晓，但已知功能的植物Myb基因的调控功能 比动物Myb基因的调控功能广泛得多。许多已知基因参与花青素和类黄酮合成途径的调节，并扮演着复杂 的角色：Myb同源蛋白调节着从苯基丙氨酸合成花青素和类黄酮途径的9个不同步骤。这个途径中每个步 骤的改变将产生完全不同的色素。Myb同源蛋白相互竞争的天性，加上它们积极参与一个途径的中间步骤， 可以推测这个代谢系统能够在很短时间内就适应环境的改变(Rosinski＆Atchley，1998)。植物Myb能 够“捕获”多种调控功能，可能与植物的细胞周期调控没有动物那么严格有关，结果是多个成员能够在植 物发展初期存活下来，形成植物Myb基因的大爆发。对与体外分子相互作用的基因家族来说，新功能获得 的另一种形式是获得识别或抑制新的敌害分子的能力，刀基因家族和防御基因家族就是典型的例子。植物 月基因受到分歧选择，特别是在决定识别特异性的LRR区。对拟南芥一类称为NBS—LRR的基因家族进行选 择压分析，发现大部分受到分歧选择的位点处于LRR区结合配体的位置(Mondra96n—Palominoetal， 2002)。很可能是因为外源配体的多样性，导致植物月基因和蛋白酶抑制剂基因发生分歧并保存。 CHS基因反复独立转变为STS基因或其它类似基因，构成一个CHS-like基因家族，这表明植物体在进 化历史上发生过多次类黄酮代谢的改变；前述的gyb基因家族也提供了快速调节花青素和类黄酮代谢的方 式，这两者都说明了类黄酮代谢系统的快速改变对植物体的适应有重大意义。如果说外源配体的多样性是 曰基因和蛋白酶抑制剂基因分歧的原因，那么机体对次级代谢物多样性的需要，也可能构成了Myb基因、 饧伊1ike基因和其它相关基因分歧的原因。 发生重复的基因，只有很短的时间去获得新功能，否则其中之一将被淘汰，这个窗口期大约只有几百 1 98 黄德双，张学工，田捷，刘湘军主编 万年(Lynch＆Conery，2000)。对于目前介绍的基因家族，绝大部分基因之间的分歧都超过了这个期限， 因此有理由认为这些基因各自有独特的功能，从而为基因家族的研究提供了新的视角。 参考文献 Alvarez-BuyllaER，PelazS。LiljegrenSJ，GoldSE，BurgeffC，DittaGS，RibasdePouplanaL，Martinez·CastillaL，Yanofsky MF,“AnancestralMADSboxgeneduplicationoccurredbeforethedivergenceofplantsandanimals，’’ProcNatlAcadSciUSA 97：5328-5333．2000． AnC，IchinoserYamada正Tanaka巧Shiraishi正OkuH，“OrganizationofthegenesencodingchalconesynthaseinPisum sativum，”PlantMolBiolMar；21(5)：789—803，1993． AsoK．KatoM，BanksJ，HasebeM，“CharacterizationofHomeodomain—LeucineZippergenesinthefernceratopterisrichardii andtheevolutionoftheHomeodommn—Leucinezippergenefamilyinvascularplants，”MolBiolEvol16：544—552，1999． 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