黃瓜Aux/IAA基因家族的生物信息學分析

摘要：Aux/IAA基因家族是一個典型的被生長素誘導而表達的基因家族，可以被生長素快速誘導表達。采用生物信息學方法在黃瓜基因組中確定了28個Aux/IAA基因，除4號染色體外，其他6條染色體均有分布，編碼蛋白序列在70～427個氨基酸殘基之間，22個黃瓜Aux/IAA蛋白具有完整的4個保守結構域。進化方式多樣化。該研究結果有助于黃瓜生長素信號轉導途徑的解析。

關鍵詞：黃瓜；生長素；Aux/IAA

Aux/IAA基因家族是對生長素誘導做出早期響應的3類基因家族之一。生長素誘導會使Aux/IAA基因的表達量瞬時升高，進而對生長素信號網絡中其他基因的表達進行調控(正調控/負調控)。Aux/IAA基因家族是生長素信號轉導通路的重要調節因子。

Aux/IAA蛋白具有4個保守結構域，Domain I具有轉錄抑制功能，結構域Ⅱ對Aux/IAA蛋白的穩定性起作用，DomainⅢ和Ⅳ負責蛋白的二聚化。Aux/IAA蛋白和轉錄因子ARF(auxin response factor)家族能形成雜合二聚體，在生長素作用下，Aux/IAA蛋白被降解，從而調動生長素信號途徑下游基因的表達。生長素在植物的生長發育過程中起著重要作用，Aux/IAA基因又是生長素信號傳導途徑中的重要調控基因，因此，對Aux/IAA基因家族的研究就成為近年來研究的熱點。黃瓜是全世界重要的蔬菜之一，但對Aux/IAA基因家族的研究卻相對滯后，Aux/IAA是多基因家族，迄今為止在黃瓜作物中共分離了3個Aux/IAA基因。2009年底黃瓜基因組測序的完成，將會推進黃瓜Aux/IAA基因家族研究的深入開展。

筆者利用黃瓜基因組數據庫采用生物信息學方法，對黃瓜全基因組的Aux/IAA基因序列進行了分離與序列特征及進化分析，旨在為生長素信號傳導途徑的解析及下一步基因克隆提供參考。

1 材料與方法

1.1 Aux/IAA基因家族序列的收集

從擬南芥轉錄因子數據庫(http://datf.cbi.pku.edu.cn/browsefamily.php?fn=AUX/IAA)和水稻數據庫(http://drtf.cbi.pku.edu.cn/family_view.php?fn=AUX/IAA)下載Aux/IAA家族蛋白的序列分別檢索黃瓜基因組序列數據庫(http://cucumber.genomics.org.cn/page/cucumber/index.jsp)。

1.2 多序列聯配序列分析即系統發育樹的構建

黃瓜Aux/IAA基因家族序列比對采用軟件DNAMAN 6.0。利用分子進化遺傳分析軟件MEGA 4.0，根據鄰接法(Neighbor-joining method)構建系統發育樹，并進行1000次Bootstrapp抽樣。

2 結果與分析

2.1 黃瓜基因組中的Aux/IAA基因

以34個擬南芥和46個粳稻Aux/IAA蛋白分別檢索黃瓜基因組數據庫，共得到28個Aux/IAA家族成員，這些基因分布于黃瓜7條染色體中的6條染色體以及未定位的11個染色體片段上。4號染色體未發現存在Aux/IAA基因，在2號染色體和3號染色體上分布最多，分別有4個和7個，7號染色體上有3個，1號、5號及6號染色體上各有1個。這些基因所編碼的蛋白長度在70～427個氨基酸殘基內，差異較大。Csa014661和Csa025885的核苷酸序列與氨基酸序列完全一致，說明這2個基因是同一基因拷貝，在功能上可能存在冗余現象：有4對基因在基因組中的位置串聯存在，它們是Csa016714和Csa016715、Csa020458和Csa020459、Csa021532和Csa021533，Csa021312和Csa021313(表1)。

2.2 黃瓜Aux/IAA基因家族蛋白特征

在28個Aux/IAA基因中，有22個成員具有典型的Aux/IAA基因的4個保守結構域，其余6個發生了保守結構域丟失。如Csa021533和Csa021313只有第4結構域，Csa022634缺失第1保守結構域；Cs0021532、Csa021312和Csa002030這3個基因缺少第4保守域。在22個具備4個保守結構域的成員中有20個在4個結構域上比較保守，但是有2個基因如Csa009839的第1結構域及Csa020973的第1結構域和第4結構域有些序列發生了替代。丟失結構域的6個Aux/IAA基因可能只具有Aux/IAA蛋白的部分功能，或者獲得了新功能，或者可能是假基因。保守結構域有小部分序列被替代的2個基因或者有新功能或者只具備部分典型Aux/IAA蛋白的功能(圖1)。

2.3 黃瓜與擬南芥Aux/1AA基因家族進化分析

為了避免長枝吸引把編碼氨基酸最少只有70個的基因Csa021313排除在外，用27個黃瓜Aux/IAA基因與34個擬南芥Aux/IAA基因家族的氨基酸作聚類分析。結果發現這些基因被劃為多個進化枝，表明Aux/IAA基因是高度分化的，同時也存在著黃瓜專屬類群(三角形標注)和擬南芥專屬類群(圓形標注)，表明這些Aux/IAA基因在進化過程中以物種特異的方式進行擴展(圖2)。

3 討論與結論

生長素是一種非常重要的激素，在植物的生長和發育過程中發揮著十分重要的作用，主要包括細胞伸長、分裂。向地性和向光性的形成，維管組織的發育，根毛發育，花的形成，果實成熟等生長發育過程起作用。Aux/1AA基因，是一種轉錄抑制因子，所編碼的蛋白已經被證明在生長素信號轉導途徑中起著極其重要的作用。在擬南芥和水稻轉錄因子數據庫中擬南芥和粳稻分別有34個和46個Aux/IAA基因，楊樹和高粱分別有35個和25個Aux/IAA基因被分離。在黃瓜中，僅有3個Aux/IAA基因被分離。2009年底黃瓜基因組測序完成及其數據庫的建立，為從全基因組范圍內研究與分離黃瓜Aux/IAA基因提供了參考。

本研究發現在確定的28個黃瓜Aux/IAA基因中，22個具有完整的4個保守結構域，6個Aux/IAA蛋白有不同程度的保守結構域缺失。利用Clustal X 1.83軟件對黃瓜、擬南芥和水稻Aux/IAA蛋白進行多序列聯配(結果未列出)，序列聯配顯示出這3種作物的Aux/IAA家族成員序列高度相似表明Aux/IAA這個基因家族具有高度保守性。缺失蛋白功能域的Aux/IAA基因，一種可能是只具有Aux/IAA蛋白的部分功能，另外一種可能是功能域部分缺失的Aux/IAA蛋白具有了新功能或者是假基因。

基因家族起源于一個共同的祖先基因，在植物(特別是被子植物)進化過程中發生了大量的基因重復事件，從而形成了一個多基因家族。在水稻和擬南芥的基因組中Aux/IAA基因家族的擴增主要是節段重復所致。在黃瓜中Aux/IAA家族是以串連重復、節段重復、隨機插入等方式來擴增的，Aux/IAA基因在進化過程中可能存在功能冗余現象。

本研究利用生物信息學方法在黃瓜基因組數據庫中檢索確定了28個Aux/IAA基因，編碼氨基酸大小為70～427，其中有22個具有完整的4個保守結構域，并與擬南芥Aux/IAA家族成員做了聚類分析，基因重復、基因缺失可能是黃瓜Aux/IAA基因家族的主要進化模式。這為下一步Aux/IAA基因克隆及用基因工程創造黃瓜新種質資源提供了重要參考。