小鼠peroxiredoxin 基因家族的生物信息学分析

2005年5月ACTA　ACADEMIAE　MEDICINAE　MILITARIS　TERTIAEMay.2005847

文章编号:1000204(2005)0920847203　　

论著

小鼠peroxiredoxin基因家族的生物信息学分析

章　波1,向渝梅2,白　云1,许雪青1,王　燕1　　(第三军医大学:1基础医学部分子遗传学教研室,2科研部,重庆400038)

　　提　要:目的　分析小鼠peroxiredoxin基因家族的基因组结构和进化。方法　利用已经公布的小鼠基因组数据库,采用

BLAST程序检索该基因家族各成员的编码基因和假基因,并利用ClusterW软件进行序列联配,绘制其分子进化树。结果

　分析表明该家族半数成员具有多个假基因序列,为返转座类型假基因。这些假基因的形成时间有先后,所具有返转座假基因的典型结构也各不相同。分析该家族的进化表明PrxⅠ2Ⅳ有共同的祖先,归为一个亚类,而PrxⅤ和Ⅵ与前者的相似性较差,归为另一个亚类。结论　该家族每个成员长期进化所形成的多样性提示其功能具有独特性。　　关键词:peroxiredoxin;基因家族;进化;生物信息学　　中图法分类号:R318.04;R394　　　

文献标识码:A

Bioinformaticanalysisofmouseperoxiredoxinfamily

ZHANGBo1,XIANGYu2mei2,BAIYun1,XUXue2qing1,WANGYan1(1DepartmentofMolecularGenetics,Collegeof

Medicine,2DevisionofScientificResearchAffairs,ThirdMilitaryMedicalUniversity,Chongqing400038,China)

　　Abstract:Objective　Todeterminethegenomicstructureofmouseperoxiredoxinsandtoanalyzeitsmolecularevolution.Methods　Basedonthepublisheddatabaseofmousegenome,thecodinggenesandpseudogenesofallperoxiredoxinmemberswereretrievedbyusingBLASTsoftwareandtheirgenomicstruc2tureswereanalyzed.Allthesequencesweremulti2alignedwithClusterWsoftwareandthemolecularevolu2tiontreewasdrawn.Results　HalfofallPrxmembershadpseudogenesthatweretheretrotransposonsofcodinggenesandproducedaccordingtochronologicaolorder.Thepoly2Astringsandterminalrepeatsofsomepseudogeneshadchanged,thereforethetypicalpseudogenestructuresweredifferent.TheevolutionofthisgenefamilyshowedthatPrxⅠ2Ⅳweremorehomologous,whichindicatedtheyhadcommonancestor.PrxⅤandⅥwerelesshomologousandwereclusteredasanothersubgroup.Conclusion　Asaresultoflongtimeevolution,thediversityofthisfamilysuggestedthateachmembermighthaveitsspecificfunctions.　　Keywords:peroxiredoxin;genefamily;evolution;bioinformatics　　peroxiredoxin(Prx)基因是新近发现的一类编码过氧化物酶的基因,其编码蛋白属于抗氧化蛋白超家族,广泛存在于原核生物和真核生物中1,2,其催化活性和蛋白序列与其它抗氧化剂完全不同,它除了在清除活性氧中具有重要作用以外,还具有其它多种功能。哺乳动物的peroxiredoxin家族包括6个成员:PrxⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ。研究表明:该家族高等真核生物的同源基因在低等真核生物中仍具有功能,这显示该家族基因在进化上的保守性3。该家族所有蛋白均在N2端具有保守的Cys残基,有的成员在C2端还具有保守的Cys4。　　目前,小鼠基因组数据库已经公布,分析Peroxi2

　　作者简介:章　波(1972-),男,重庆市人,博士,讲师,主要从事基因表达与

方面的研究。电话:(023)68753670,E2mail:bo-zhang@yahoo.com

redoxin基因家族的染色体结构已经成为可能。本研

究利用已知的peroxiredoxin基因家族mRNA和蛋白

质序列,分析了其亲缘关系和基因组结构,并对其可能的进化模式进行了推测。1　材料与方法1.1　材料

　　小鼠peroxiredoxin基因家族的mRNA和蛋白质序列记录

ID号见表1。

表1　小鼠peroxiredoxin家族的序列记录ID号

Tab1　IDnumberofthecodingsequencesofmouseperoxiredoxinfamily

PrxⅠ

mRNA67975Protein

7923

PrxⅡ

PrxⅢ

PrxⅣ

PrxⅤ

PrxⅥ

6755757668067949814198230667186755758668069013097150

67551143719451

　　通讯作者:白　云,电话:(023)68752258　　收稿日期:2004210210;修回日期:2005201201

1.2　方法

1.2.1　基因组比对　　采用BLAST程序,以mRNA序列搜

　　　　　　　　　　　　　　　　　第　三　军　医　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　　第27卷848

索基因组序列,分析基因组中编码基因和假基因。假基因的判断采用武断标准:基因组序列中,与mRNA序列相似性大于

80%的序列可判断为假基因,并参照数据库检索结果。1.2.2　基因、假基因及蛋白质的系统学分析　　本研究使用

2　结果

2.1　peroxiredoxin基因家族的基因组结构

　　小鼠基因组序列已经公布,可以利用Blast程序对其进行序列对比,寻找存在于基因组中的假基因。我们以peroxiredoxin基因家族的mRNA进行基因组序列对比发现,半数成员具有假基因,且数目各不相同(表2)。具有假基因的成员为PrxⅠ、Ⅱ和Ⅵ。其中,假基因数目最多的成员是PrxⅠ,有6个假基因,分别位于

8、16、17、18号染色体,而其编码基因位于4号染色体。

网络资源ClustalW软件(http://www.es.embnet.org/cgi2bin/

clustal.cgi)对全部分析序列进行多重序列排列(multiplese2

quencealignment),取其同源性较高区段用于建立系统树,利用PAUP(phylogeneticanalysisusingparsimony)软件计算其遗传距

离,用NJ法构建其系统发育树(neighbor2joining,NJtree),并进行了1000次置信度分析(bootstrapanalysis)。

表2　peroxiredoxin基因家族的基因组结构

Tab2　Thegenomicstructureofperoxiredoxinfamily

FamilymemberPrxⅠ

Codinggene4

NT-0392.2

8

NT-078575.1

96%9

NT-078599.1

100%2

NT-039208.2

%

16

NT-039624.2

93%1

NT-078297.1

95%4

NT-039258.2

85%

Pseudogene16

NT-0823.1

93%17

NT-0399.2

92%

8

NT-039460.2

86%4

NT-039267.2

%

17

NT-078815.1

90%

18

NT-082382.1

84%

　　Chra　　Recb　　SimcPrxⅡ　　Chra　　Recb　　SimcPrxⅥ　　Chra　　Recb　　Simc

8

NT-039467.2

1

NT-039185.2

a:Chromosomenumber,b:Recordaccessionnumber,c:Similarity

　　值得注意的是PrxⅡ的编码基因,8和9号染色体DNA均可拼接出该基因mRNA序列,且其DNA序列从编码区上游

2000bp延伸至编码区下游2000bp的范围内均完全相同。然

增形成3个同源基因,其中一个演变为PrxⅣ,一个演变为PrxⅠ和Ⅱ的共同祖先,另外一个则演变为PrxⅢ、Ⅴ和Ⅵ的共同祖先,此基因再分化形成PrxⅢ,以及PrxⅤ与PrxⅥ的祖先基因。利用该家族蛋白质序列构建的系统发生树推断的分子进化过程与上述过程相似。

将该家族编码基因序列和假基因序列采用ClusterW软件进行序列联配后绘制其进化树,结果见图1。各个编码基因与其相应的假基因成簇聚类,关系密切。PrxⅠ的6个假基因中,

I2Chr1822127277形成较早,与编码基因的相似性最低为84%;

而9号染色体DNA含有多余的1个第4外显子部分,也可以认为其为该基因的编码基因。然而,PrxⅡ的这2个基因是否都能转录还需要进一步实验。

2.2　peroxiredoxin家族编码基因的分子进化

　　以该家族编码基因的蛋白质序列进行多重序列联配,结果表明:PrxⅠ和Ⅱ的相似性最高,相同残基为7211%。PrxⅠ-Ⅳ的相似性大于50%,可以认为有共同的祖先,归为一个亚类;而PrxⅤ和Ⅵ与前者的相似性较差,可以归为另一个亚类(表

3)。以mRNA为对象进行序列对比的结果类似。

表3　小鼠peroxiredoxin家族蛋白质序列相似性的比较

Tab3　Thesimilaritycomparisonofmouseperoxiredoxinfamilybased

onproteinsequences

PrxⅠPrxⅡPrxⅢPrxⅣPrxⅤPrxⅥPrxⅠ—72.159.3.312.624.6

PrxⅡ72.1—61.966.514.223.9

PrxⅢ59.361.9—51.419.517.4

PrxⅣ.366.551.4—15.219.2

PrxⅤ12.614.219.515.2—11.0

PrxⅥ24.623.917.419.211.0—而在PrxⅡ的4个假基因中,最先分化的是II2Chr4212222623,与编码基因的相似性为%。

　　利用该家族基因的mRNA序列和蛋白质序列联配结果构建其系统发生树。基于mRNA序列的进化树表明PrxⅠ和Ⅱ与该家族的共同祖先关系较近,其次是PrxⅢ和Ⅳ,而PrxⅤ和Ⅵ最远。该家族的演化可以推断为:由一个共同的祖先经过倍

图1　Prx基因家族编码基因和假基因的分子系统树(假基因以成

员2染色体2登记号之起始点表示,编码基因以real表示)

Fig1　Molecularphylogenetictreesofmouseperoxiredoxinfamily

basedonthesequencesofcodinggeneandpseudogene

第9期　　　　　　　　　　　章　波,等.小鼠peroxiredoxin基因家族的生物信息学分析　　　　　　　　　　　　　　849

2.3　假基因的结构特征

　　在Prx家族中,多数为返转座假基因。其典型的结构特征为:①3′端具有PolyA结构;②假基因序列两端具有9～21bp的正向重复序列;③无内含子序列。在PrxⅠ的所有假基因中,保留典型的结构特征者少,没有末端重复序列和PolyA结构,有较多的缺失部分。PrxⅡ的假基因则相对于前者更为典型,均有末端重复序列(表4)。

表4　PrxⅡ假基因的结构特征

Tab4　ThestructuralcharacteristicsofmousePrxⅡpseudogenes

Position1

Flankingterminalrepeat

PolyA

5′terminalrepeat

3′terminalrepeat

1/NT-078297.1TCCTAAGAAAGTTTCTTGAGAAAGAAGGTTTCTTGATT+17/NT-0399.2ATTAATGTCACAATATAGTTATAATATCACAATATAGAC+4/NT-039267.2

ATCTTTAGCACAATTTTTCCCTCTTTCTCAATTGTGAG

-1:Thepositionofeachpseudogeneisshowedbyitschromosomenum2berandrecordaccession

3　讨论

　　在生物的长期进化中,许多基因能够形成无功能

的假基因。这些假基因在没有选择压力的情况下,可发生较大的突变。已有研究证实:PrxⅠ有1个编码基因和2个假基因5。这是通过基因组文库筛选、测序所得到的结论。然而这个结论与本研究有所区别。另外,Lim等6通过基因组文库筛选发现:PrxⅡ有1个编码基因和2个假基因,假基因可能是通过返转座方式形成。在他们的结果中没有9号染色体的编码序列和另一个假基因。通过基因组序列的对比可以较为全面地发现这些假基因序列。这说明了采用基因组序列对比的方法来确定基因的结构更为准确。

在基因组中,编码蛋白质的序列只占少部分,绝大多数序列被称为“垃圾DNA”。它们包括内含子、重复序列、假基因和可移动元件7。假基因的形成可能有2种机制:基因倍增和返转座。在目前发现的假基因中,其存在形式有2种:保留间隔序列的假基因和处理后假基因(又称为返转座假基因),分别与这2种机制相对应8。在该家族中,只有PrxⅡ的假基因具有较为典型的结构,说明其形成相对较晚,而PrxⅠ和Ⅵ的假基因基本没有假基因的典型结构,说明其分化的时间更早。

关于Prx基因家族的功能有一点是明确的,即均具有还原过氧化物的功能。除此之外,它们还具有其它功能诸如刺激细胞增殖,参与细胞的信号转导等9。研究表明,它们在细胞质中的定位有所不同,因而功能各异。PrxⅠ和Ⅱ定位于细胞质中,在多种组织中表达,其功能主要是清除过氧化物累积,能够刺激

细胞增殖,如增强NK细胞活性10。PrxⅢ定位于线

粒体,该蛋白在内质网中合成后经过线粒体定位信号而转运至线粒体。PrxⅣ的N2端含有分泌信号,该蛋白在内质网中合成后被转运至细胞外,具有结合肝素的能力11。因此,在内质网和细胞外基质可以检测到该蛋白。PrxⅤ具有长短2种形式,存在于细胞质、过

氧化物酶体和线粒体中12

,参与调节细胞内信号分子H2O2。PrxⅥ也存在于细胞质中,在多种组织中均能检测到,其中肺脏中表达最高。该蛋白是一个双功能蛋白,具有过氧化物酶和磷脂酶A2活性13。Prx基因家族在长期的进化过程中形成了多个成员,与其功能的多样性一致。参考文献:

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(编辑　陈聪连)