生物信息学综述

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果蝇属麦芽糖酶的鉴定

摘要:本文通过应用生物信息学的研究方法,对已报道的12种果蝇的麦芽糖酶进行了研究,揭示了果蝇属麦芽糖酶基因家族的进化史。科学界已经对果蝇属中另一种相近的糖苷水解酶-α-淀粉水解酶的分子进化进行了较长时间的详尽的研究,α-淀粉水解酶也被用作研究多基因家族进化的一个模型。然而,对麦芽糖酶的研究却很少。因此,本研究作者通过对比氨基酸序列以及分析同源基因的内含子和外显子的组成,对果蝇属麦芽糖酶基因在基因组中的空间分布进行了研究。结果发现在果蝇的两条染色体上分布着两个基因簇共十种基因。这两个基因簇是远古一系列基因重复的结果,这大约发生在3.5亿至六千万年前,远在现有果蝇种类形成之前。在这两个基因簇中有一些特别的麦芽糖酶基因,其组成具有显著的内含子/外显多样性。 关键词:果蝇属,麦芽糖酶,生物信息学,进化

1前言

麦芽糖酶属于α-葡糖苷酶,是一类在淀粉的酶解过程中催化麦芽糖水解生成葡萄糖的酶。原来是对可使麦芽糖水解生成2分子葡萄糖的酶所用的名称,但现在一般地是作为作用于结合各种配糖基的a-D-葡萄糖苷的a-葡萄糖苷酶的别名来使用。麦芽糖 (maltose)指2分子D-葡萄糖α-1,4成键的二糖。按化学系统命名法称为4-O-a-D-葡萄吡喃糖基-(1-4)-a-D-葡萄吡喃糖。由于用麦芽或从麦芽抽提出的糖化酶(淀粉酶)作用于淀粉溶液生成的化合物,所以产生这一名称。

α-葡萄糖苷酶在自然界分布广泛 ,种类繁多,性质各异 ,几乎存在于所有生物体 内。目前已经进行研究的α-葡萄糖苷酶除少数来源于植物和动物外, 绝大多数均来自于微生物中。

在昆虫体内,α- 葡萄糖苷酶在生理和代谢方面 起着很重要的作用 : ① 能量储存和血淋巴糖水平调节。昆虫体内的碳水化合物储存以肝糖原形式储存。 在生理上, 这种储存可保持昆虫体内血淋巴中海藻糖循环的平衡 ,也就是说海藻糖活性在 昆虫代谢中起着重要的作用; ② 体内外的碳水化合物消化。家蝇通过唾腺分泌淀粉酶可体外消化淀粉, 酶的作用除了为机体直接提供碳水化合

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物外 ,还可以通过刺激细菌生长使果蝇得到喂养。在果蝇的中肠中, 酶固定于肠膜上 ,可对不同程度的淀粉进行消化产生葡萄糖[ 1 幻; ③ 生长。在昆虫形体变化进程中需对幼虫组织 自溶, 释放出肝糖原 ,在这个过程中,会出现淀粉酶。与之相似的是在哺乳动物中则是酸性麦芽糖酶水解肝糖原。对昆虫来说 , 若缺乏相应的 a-葡萄糖苷酶, 则会产生形体上的严重缺陷。而对哺乳动物是否一样,目前还不清楚;④ 环境敏感。在成年果蝇唾腺中的 a-葡萄糖苷酶可以起到与环境交换信息的作用。当a - 葡萄糖苷酶与底物相遇 ,会引发体内神经元反应,从而产生与环境交换信息的过程 ;⑤ N-端相关的糖基化。昆虫和真核生物一样合成一种碳水化合物前体 Glc3Man9GlcNAc2,前体可转化为蛋 白质、 葡萄糖和其他残余物,在蛋 白质离开内质网前,前体可被 a-葡萄糖苷酶 I和 II除去。葡萄糖需被修饰 ,并在检查点被检查是否正确折叠后才会进人合成糖蛋白; ⑥ 生理作用。a - 葡萄糖苷酶转糖苷活性生理重要性已在临床和微生物领域得到证明 ,出生第一年内先天转糖苷紊乱可导致肝肿大;抑制病毒 a -葡萄糖苷酶活性会产生病毒颗粒组装缺陷;当细胞内无a -葡萄糖苷酶活性时植物会发生形态失常。在真菌中,旷葡萄糖苷酶缺乏与分生孢子减少有关 ,会导致分隔缺陷、 极性生长缺陷和细胞壁组成缺陷等。

表1 部分α-葡萄糖苷酶的来源及性质

来源

种类

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最适 底物专一性

植物

Grape berries ( 葡萄) Sweet corn( 甜玉米) Malted barley ( 大麦麦芽) Spinach seeds ( 菠菜种子) Rice seeds ( 稻谷)

pH 5.1

温度/℃

麦芽糖 麦芽糖 淀粉

低聚麦芽糖

低聚麦芽糖 淀粉和肝糖原

动物

Drosophila melanogaster ( 黑腹果蝇)

3.1~3.8

6.0 7.5

65

Aplysia fasciata( 海兔) Entamoeba histolytica ( 痢疾阿米巴)

麦芽糖

异麦芽糖、黑曲霉素

微生物

Bacillus subtilis ( 枯草杆菌)

直链淀粉、麦芽低聚糖

Bacillus cereus ( 蜡状芽孢杆菌)

7.0 40

淀粉 麦芽糖

Bacillus amylolyticus ( 溶淀粉芽孢杆菌)

7.0

Bacillus stearothermophilus ( 嗜热脂肪芽孢杆菌)

6.5 75

麦芽糖

Therrrlococcus ( 嗜热古菌) 7.0 Geobacillus ( 地衣芽孢杆菌)

6.8

100 60

支链淀粉 低聚麦芽糖、 糊精、 松二糖 支链淀粉

Aspergillus niger ( 黑曲霉) 4.2 Saccharomyces cerevisiae ( 啤酒酵母)

7.5

90

麦芽糖

根据碳水化合物活性酶分类体系,发现a-葡萄糖苷酶存在于糖苷水解酶(GHs)中的 4个家族: GH4、GH13、GH31和GH97。家族GH13、GH31和GH97的活性区域都有一个(β/a)8桶状折叠。同时我们发现来自于家族GH13和GH31的酶之间拥有较远的同源性。相比之下,家族GH4中的酶显示出与NAD-依赖型脱氢酶(2-羟基酸脱氢酶)结构相似,在他们的NAD+结合位点都拥有典型的Rossman折叠。

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根据生物分类学的观点,家族GH31中的a-葡萄糖苷酶分布最为广泛。他们在古生菌、细菌和真核生物(原生生物、真菌、植物和多细胞动物)这三大领域中均被发现。家族GH13起源于细菌,在真核生物中的分布主要局限于真菌和昆虫。家族GH4和GH97中的a-葡萄糖苷酶仅存在于细菌中。

昆虫的α-葡萄糖苷酶只存在于GH13家族中,被归类为GH13_17亚族。 家族GH13、 GH70和GH77共同构成GH-H酶系。 GH-H酶系具有以下特征: 1. 有一个(β/a)8桶状折叠形成的催化区(定义为结构域A),另外在β3 和a3

链之间有另外一个突出的较小的结构域B。

2. 催化结构包括:一个位于β4的天冬氨酸(催化亲核体)、一个位于β5链

的谷氨酸(质子供体)、另一个位于β7链的的天冬氨酸(过渡态稳定器) 3. 氨基酸序列包含4-7个保守序列区域( CSRs ),主要位于催化区A的β

链。

家族GH13属于最大的GH家族,包含几乎30种不同的特异性酶。经过鉴定显示,不同的特异性酶根据他们的序列相似性,可以被归类为不同的亚族。基于第五CSR的特异性序列,可以确定两个GH13亚族:①寡聚-1,6-葡萄糖苷酶亚族,以蜡状芽孢杆菌中的CSR V(167_QPDLN)为代表②新支链淀粉酶亚族,以嗜热脂肪芽孢杆菌中的CSR V(295_MPKLN)为代表。根据这种分类方法,a-葡萄糖苷酶应归类为寡聚-1,6-葡萄糖苷酶亚族。现在,家族GH13被分为36个亚族,昆虫a-葡萄糖苷酶归类于GH13-17亚族。

尽管通过序列比对预测出昆虫中的许多疑似a-葡萄糖苷酶, 但是其中仅有一小部分被鉴定。在意大利蜜蜂中,有三种a-葡萄糖苷酶同工酶I、II和III,分别由hbg1、hbg2和hbg3三个基因所编码,并在不同的器官中得以表达,显示出不同的底物特异性和最适pH。在埃及伊蚊成虫的唾液腺中,有一种与酵母麦芽糖酶相似的疑似a-葡萄糖苷酶。同时,发现两个疑似的麦芽糖酶基因在冈比亚疟蚊的中肠中表达。在黑腹果蝇中,一个小基因簇已经被鉴定和测序。这个基因簇是一段8kb长的DNA,位于2号染色体右臂的44D染色体区域。它包含三个协同表达的基因lvpH、lvpD和lvpL(幼虫内脏蛋白H、D和L)。由于他们之间拥有较高的氨基酸序列相似性(48~53%),这个基因簇可能是由基因重组引起的。但是,因为他们基因的内含子/外显子组成不保守,这个基因重

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组有可能是一个远古事件。起初这些基因的功能尚不清楚,但由于他们与啤酒酵母麦芽糖酶的氨基酸相似性,后来他们被归类为麦芽糖酶。为了弄清在果蝇远亲种属之间,麦芽糖酶簇的空间结构是否存在保守性,本文对黑果蝇的假定同源性麦芽糖酶簇进行了研究。结果发现它包含了两个基因(mav1和mav2),他们以相同的方向并与内脏表皮基因簇一起位于4号染色体上。有趣的是,其4号染色体与黑腹果蝇的2号染色体右臂并不同源,但与2号染色体的左臂同源。这一现象似乎违反了在果蝇进化期间基因不能在不同染色体基质间转移的原则。黑果蝇有两个而不是像黑腹果蝇中有三个基因(lvpH、lvpD和lvpL),黑腹果蝇的这三个基因以不同的方向转录,而黑果蝇的两个基因以相同的方向转录。再者,在这两个基因(mav1、mav2)和基因lvpHDL之间的内含子构成上无任何保守性。由这两个基因簇之间的显著差异,我们可以推测出他们有着各自独立的起源。

为了能更好的揭示果蝇属中12种果蝇的进化历史,本文运用了生物信息学的方法,对已被测序的12种果蝇的麦芽糖酶基因簇的空间结构进行了研究,并比对了这些基因所编码的麦芽糖酶的氨基酸序列和他们的内含子/外显子组成。

2材料和方法

2、 1同源性鉴定

使用BLAST检索蛋白氨基酸序列,用意大利蜜蜂中的特征性a-葡萄糖苷酶进行查寻( GenPept 登录号:NP—001035326; GeneID: 409889, hbg1 ),检索仅限于果蝇属。 作为对照,添加了两个蜜蜂麦芽糖酶基因hbg1和hbg2,以及两个冈比亚疟蚊麦芽糖基因agm1和agm2。

表2 本研究中使用的部分代表性麦芽糖酶基因

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注:Length指氨基酸序列,GenBank是指数据库的登录号。

2、2序列比对

使用ClustalX程序进行氨基酸序列的比对工作。 根据相关文献,手工确定序列保守区CSRs。 Clustal是一种渐进的比对方法,先将多个序列两两比对构建距离矩阵,反应序列之间两两关系;然后根据距离矩阵计算产生系统进化指导树,对关系密切的序列进行加权;然后从最紧密的两条序列开始,逐步引入临近的序列并不断重新构建比对,直到所有序列都被加入为止。 2、3进化分析

运用Neighbor-joining (邻接法,NJ) 、maximum parsimony(最大简约法,MP) 以及ML(最大似然法),通过MEGA 4.1 程序包构建系统发育树。

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邻接法(Neighbor-joining)一种快速的聚类方法,不需要关于分子钟的假设,不考虑任何优化标准,基本思想是进行类的合并时,不仅要求待合并的类是相近的,而且要求待合并的类远离其他的类,从而通过对完全没有解析出的星型进化树进行分解,来不断改善星型进化树。

最大简约法(maximum parsimony)是一种常使用于系统发生学分析的方法,根据离散型性状包括形态学性状和分子序列(DNA,蛋白质等)的变异程度,构建生物的系统发育树,并分析生物物种之间的演化关系。在最大简约法的概念下,生物演化应该遵循简约性原则,所需变异次数最少(演化步数最少)的演化树可能为最符合自然情况的系统树。

最大似然法(maximum likelihood method)是一种统计方法,它用来求一个样本集的相关概率密度函数的参数。这个方法最早是遗传学家以及统计学家罗纳德·费雪爵士在 1912 年至1922 年间开始使用的。

最大似然法明确地使用概率模型, 其目标是寻找能够以较高概率产生观察数据的系统发生树。 最大似然法是一类完全基于统计的系统发生树重建方法的代表。该方法在每组序列比对中考虑了每个核苷酸替换的概率。 2、4内含子/外显子组成

通过GenBank和Flybase检索获得各个代表性蛋白的氨基酸序列及其相应的核苷酸序列,然后使用GeneWise软件对比二者,从而确定这些蛋白基因的外显子/内含子构成。 2、5分子钟

分子钟一种关于分子进化的假说,认为两个物种的同源基因之间的差异程度与它们的共同祖先的存在时间(即两者的分歧时间)有一定的数量关系。基于这个假说,可以计算生物谱系发育的年代表。 39 million years ago作为果蝇亚属和果蝇属之间的假定分歧时间使用TreeFinder程序的局部速率最小形变法,解释各分支之间的进化速率的差异。 运用DILTAG运算法则可推测麦芽糖酶簇的进化历史。

3结果和讨论

3、1果蝇属中的麦芽糖酶簇

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1983年 Snyder and Davidson的一项研究表明黑腹果蝇的麦芽糖酶簇包含三个基因,分别被测序并命名为 lvpH、lvpD和lvpL 。他们彼此相邻分布于2号染色体的右臂上。 但后来黑腹果蝇的基因测序结果表明在这一区域共有8个基因,其余5个基因与昆虫的编码a-葡萄糖苷酶基因特征相似,但是没有被鉴定。

这5个基因在氨基酸序列水平上有45–71% 的同一性,并且基于GH13 特征性的CSRs 和活性残基,本文鉴定出它们属于GH13_17亚族,均编码a-葡萄糖苷酶。 由于他们在分布上也挨得很近,作者推测所有的这8个基因属于同一基因簇(基因簇A)。 另外,在2号染色体的左臂上,有另一个基因簇B。基因簇B包含两个基因,具有很高的序列相似性(65% 的氨基酸同一性)。

这两个基因簇的10个基因均有GH13_17亚族 a-葡萄糖苷酶的显著特征。 通过GenPept和Flybase查询每个基因的ESTs,发现ESTs可以覆盖黑腹果蝇这10个基因的整个序列。因此可以排除他们中有假基因的可能。 然后作者研究了另外11种果蝇的同源麦芽糖酶基因簇A和B,发现其中有7种果蝇(Drosophila ananassae, Drosophila erecta, Drosophila mojavensis, Drosophila persimilis, Drosophila virilis, Drosophila willistoni, and Drosophila yakuba)的基因簇A和B的构成与黑腹果蝇完全一样。另外四种(Drosophila grimshawi,Drosophila

pseudoobscura, Drosophila sechellia, and Drosophila simulans)的基因簇A有些许的差别。 如下图:

图1 果蝇属麦芽糖酶簇基因空间分布图

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注:箭头表示特定基因,箭头的方向代表特定基因转录的方向。最上面两行代表麦芽糖酶基因簇A和B的普通空间结构,发现于Drosophila ananassae, Drosophila erecta, Drosophila melanogaster,Drosophila mojavensis, Drosophila persimilis, Drosophila virilis, Drosophila willistoni, and Drosophila yakuba.最上面数字显示的是各个麦芽糖酶基因之间的距离(核苷酸单位)。下面4行表示基因簇有些许偏差的4种果蝇种。断裂的箭头代表基因出现断裂或扭曲。灰色高亮标记的箭头代表重复基因。

仅仅通过生物信息学的方法,并不能完全鉴别果蝇种类之间麦芽糖酶基因

簇A和B的差异是真实情况还是测序的误差。D.persimilis, D. sechellia和D. simulans的基因组测序的覆盖率较低(4×),而其余种类果蝇基因组测序的覆盖率较高(8×),因此,上述的一些数据可能有人为误差存在。 3、 2序列对比

本文以意大利蜜蜂的3个 α-葡萄糖苷酶(hbg1, hbg2 and hbg3)和两个冈比亚疟蚊麦芽糖酶(agm1 and agm2)为特征性麦芽糖酶,与来自12种果蝇的麦芽糖酶簇的108个氨基酸序列进行比对。序列的多重比对涵盖了家族GH13的结构域A、B和C。 比对结果清晰表明,不同物种的直系同源之间比同一物种的旁系同源之间有更高的相似性。α-葡萄糖苷酶的GH13家族的酶都有4个不变的保守残基:Asp206 (催化亲核体), Glu230(质子供体), Asp297 (过渡态稳定器), Arg204 (米曲霉中Taka-淀粉酶 A 的编号)。

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结构域A(positions氨基酸序列1–122 and 203–489)包括:CSR I(β3)、CSR II(β4)、CSR III(β5)、CSR IV(β7)。在蚊子、蜜蜂、以及所有果蝇的麦芽糖酶基因中有很好的保守性。CSR V位于结构域B碳端的附近,CSRs VI和VII分别位于β2和β8链。

图2 黑腹果蝇和黑果蝇10种麦芽糖酶基因的氨基酸比对

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注:从上而下依次是意大利蜜蜂的3个 α-葡萄糖苷酶基因hbg1, hbg2和hbg3,两个冈比亚疟蚊麦芽糖酶基因agm1 and agm2,以及黑腹果蝇和黑果蝇的麦芽糖酶基因mal_B1–B2和mal_A1–A8。CSRs(I–VII)和内含子(1-9和N1-N3)分别被标记于序列上方。具有同一性的氨基酸序列用灰色标示,催化三联体用黑白高亮标记。

结果分析:

a) CSR I:保守序列是DLVPNH,位于β3链上,具有普遍的保守性。除了

hbg1是DLVPNH外,DFVPNH在其他所有的序列中都高度保守。 b) CSR II:位于β4链上,GFRIDA为同一性序列,mal_A7 和 mal_A8中异亮

氨酸被半胱氨酸替代,mal_A6中被甲硫氨酸替代

c) CSR III:位于β5链上,EAY为同一性序列,mal_A4和agm2中的Y(酪氨

酸)变成W(色氨酸),mal_A4-A8EA变成ET,由A(丙氨酸)变成T(苏氨酸),mal-B1由EAY变成EGY,其中的A(丙氨酸)变成G(甘氨酸)。

在β6链上,有4个氨基酸残基PFNF,除了mal_A2是PMNF,F代表苯丙氨酸、M代表甲硫氨酸,具有普遍的保守性。

d) CSR IV:位于β7链上,NWXXXGNHD为同一性保守序列。中间三个残基

略有不同。

e) CSRV:临近与结构域B(positions 123–202)的碳端,QPDLN为保守序列,

在mal_ A7(除了D. grimshawi and D. willistoni两种果蝇)中变成QADLN,P代表脯氨酸、A代表丙氨酸。在mal_A4,由QPDLN 变成 QPDFN,L代表亮氨酸、F代表苯丙氨酸

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f) CSR VI:位于β2链上,(WLSP)在所有的序列中完全一样,除了两种果

蝇D. persimilis和D. pseudoobscura的mal_B1中的亮氨酸变成了甲硫氨酸(数据未显示)。

g) CSR VII:GEE为同一性序列,具有很好的保守性。

h) 结构域C(positions 490–588):直系同源序列显示了很高的相似性,然而两

个旁系统原序列之间相似性很低,甚至没有任何保守残基。

4麦芽糖酶簇的进化史

根据113个麦芽糖酶的氨基酸序列的比对结果,运用NJ(邻接法)、MP(最大简约法)、ML(最大似然法)构建系统发育树。 从中可以看出,所有的直系同源基因在分支上紧紧相邻。这也意味着不同物种间的直系同源基因比同一物种的旁系同源基因拥有更高的形似度。同时这也进一步表明,复制发生于物种形成之前,此后,基因的复制会以独立的而非协同的方式进化。

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图3 12种果蝇麦芽糖酶基因簇的系统进化树

在基因簇A中, mal_A3、mal_A4和 mal_A5属于同一分支(自展值高97%),其中mal_A3和 mal_A4之间的相似度高于他们与mal_A5之间的相似度( ML和MP 型系统发育树分别仅有47和44%的自展值,NJ系统发育树有90% 的自展值)。Mal_A2与mal_A3、mal_A4和 mal_A5同一个分支,但自展值较低( ML 86%、MP50%、 NJ70% )。 mal_A6、mal_A7和mal_A8为同一分支(三种方法的自展值都高于97%), mal_A7和mal_A8之间的相似度更高。

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mal_A1单独一个分支,但自展值较低( ML 86%、MP38%、 NJ65% )。 根据ML tree的分支长度,可估算出特定基因复制的分歧时间。 39MYA是果蝇亚属和果蝇属之间的假定分歧时间,用此作为一个校准点。 现在一般认为350 MYA为昆虫进化的分歧时间。

图4 果蝇属麦芽糖酶基因簇的基因重组发生时间分布概要图

从上图可以看出,果蝇属分离出亚属大约发生于60–40 MYA。可以看出,所有的这些基因重复都发生在现有果蝇种类共同的一个共同祖先中。

5内含子的排列

本文调查研究了12种果蝇的10个麦芽糖酶基因,以及意大利蜜蜂中的麦芽糖酶同工酶基因hbg1, hbg2, hbg3和冈比亚疟蚊的两个麦芽糖酶基因agm1和 agm2。通过对比分析发现,hbg1 and hbg3两个基因共含有9个内含子,其中6个位于结构域A,一个位于结构域B,两个位于结构域C。

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图5 果蝇属麦芽糖酶簇基因的内含子组成

从上图可以看出,hbg1和hbg3基因的9个可能的内含子已经被鉴定。其中,6个内含子位于结构域A、一个位于结构域B、两个位于结构域C。 N1–N3是仅在果蝇属中存在的内含子。

6总结

1、麦芽糖酶基因可分为两个古老而不断稳定进化的基因簇:基因簇A和B,这两个基因簇共包含10个基因,其中基因簇A包含8个麦芽糖酶基因,基因簇B包含2个麦芽糖酶基因。

2、特定旁系同源基因有非常相似的序列,这或许是净化选择的结果。不同物种间的直系同源基因比同一物种的旁系同源基因拥有更高的相似度。麦芽糖酶簇基因的基因重复发生于现有果蝇物种形成之前,此后,基因的复制会以独立的而非协同的方式进化。

3、由于现有果蝇种类的共同祖先的麦芽糖酶基因重复, 果蝇属麦芽糖酶基因拥有显著的外显子/内含子多样性。N1–N3是果蝇属麦芽糖酶簇基因所包含的独特的特异性的内含子。

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本文来源:https://www.bwwdw.com/article/x27p.html

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