Information

9.10: Paraloga gener och genfamiljer - Biologi

9.10: Paraloga gener och genfamiljer - Biologi


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Som tidigare nämnts spelar genomdynamiken en avgörande roll för att underlätta evolutionär förändring, särskilt i samband med flercelliga organismer275. Detta ger ett tillåtande sammanhang där mutationer kan förändra vad som kan ha varit en genprodukts off-target eller som det ibland kallas, promiskuösa aktiviteter276. Även om de vanligtvis är mycket mindre effektiva än genproduktens primära roll, kan de ha fysiologiskt signifikanta effekter.

De två versionerna av en duplicerad gen sägs vara paraloger av varandra. I varje gendupliceringshändelse kan de två duplicerade generna ha ett antal öden. Till exempel skulle båda generna kunna konserveras, vilket ger extra skydd mot mutationsinaktivering. Närvaron av två kopior av en gen leder ofta till en ökning av mängden genererad genprodukt, vilket kan ge en selektiv fördel. Till exempel kan genduplicering (en form av variation i antal kopior) väljas under cancerbehandling eftersom ökade kopior av gener kan koda genprodukter som är involverade i avgiftning av eller resistens mot ett läkemedel mot cancer.277. Det är möjligt att båda generna behåller sina ursprungliga funktioner, men uttrycks på olika nivåer och vid olika tidpunkter i olika celltyper. En gens aktivitet kan gå förlorad genom mutation, i vilket fall vi är tillbaka där vi började. Alternativt kan en gen utvecklas för att utföra en ny, men viktig funktionell roll, så att konservativ selektion verkar för att bevara båda versionerna av genen.

Sådana gendupliceringsprocesser kan generera familjer av evolutionärt relaterade gener. I analysen av genfamiljer gör vi en skillnad mellan gener som är ortologer till varandra och de som är paraloger. Ortologa (eller homologa) gener finns i olika organismer, men är härledda från en enda gemensam förfäders gen som finns i den gemensamma förfadern till dessa organismer. Paraloga gener är gener som finns i en viss organism som är relaterade till varandra genom en gendupliceringshändelse. En speciell paralog i en organism kan vara ortolog till en gen i en annan organism, eller så kan den ha uppstått oberoende i en förfader, genom en gendupliceringshändelse.

Detaljerade jämförelser av nukleotidsekvenser kan skilja mellan de två. Ju längre i det förflutna som en gendupliceringshändelse tros inträffa, desto mer mutationsbrus kan skymma förhållandet mellan de duplicerade generna. Kom ihåg att när man tittar på DNA finns det bara fyra möjliga baser på varje position. En mutation kan ändra en bas från A till G och en andra mutation från G tillbaka till A. Om detta inträffar kan vi inte vara helt säkra på antalet mutationer som skiljer två gener, eftersom det kan vara 0, 2 eller en större antal. Vi kan bara generera uppskattningar av troliga samband. Eftersom många multigenfamiljer verkar ha sitt ursprung i organismer som levde för hundratals miljoner år sedan, ju äldre den gemensamma förfadern är, desto mer oklar kan förhållandet vara. Undantagen involverar gener som är extremt högkonserverade, vilket i princip betyder att deras sekvenser är begränsade av sekvensen för deras genprodukt. I detta fall producerar de flesta mutationer en dödlig eller mycket ofördelaktig fenotyp, vilket betyder att cellen eller organismen med den mutationen dör eller misslyckas med att reproducera sig. Dessa gener utvecklas mycket långsamt. Däremot utvecklas gen-/genprodukter med mindre stela begränsningar (och detta inkluderar de flesta gener/genprodukter) mycket snabbare, vilket kan göra bestämning av relationerna mellan gener som finns i avlägset besläktade organismer mer trevande och spekulativa. Även om funktionella likheter ofta ses som bevis för evolutionär homologi, är det värt att överväga möjligheten, särskilt i mycket divergerande gener och genprodukter, av konvergent evolution. Precis som med vingar kan antalet sätt att utföra en viss funktion på molekylär nivå vara begränsat.

Frågor att besvara & att fundera över

  • Använd ett diagram och överväg effekterna av att vända en kromosomregion runt (180º) på genuttryck.
  • Tänk på effekterna av sådana omarrangemang på kromosomparning under meios.
  • Hur ökar sexuell reproduktion den genetiska mångfalden inom en population?
  • Spekulera om vilka selektiva faktorer som kan gynna sexuell framför asexuell reproduktion (och tvärtom).
  • Ge en förklaring till varaktigheten av duplicerade gener. Vilka krafter skulle agera för att avlägsna dem?
  • Vilken typ av händelse skulle leda till total genomduplicering?
  • Varför går vissa gener ofta förlorade efter genomduplicering?

Arabidopsis paraloga gener RPL23aA och RPL23aB kodar funktionellt ekvivalenta proteiner

I växter kodas varje ribosomalt protein (RP) av en liten genfamilj men det är i stort sett okänt om familjemedlemmarna är funktionellt diversifierade. Det finns två RPL23a paraloga gener (RPL23aA och RPL23aB) kodar för cytoplasmatiska ribosomala proteiner i Arabidopsis thaliana. Nedslagning av RPL23aA användning av RNAi hämmade tillväxten och ledde till morfologiska abnormiteter, medan knock-out av RPL23aB hade ingen observerbar fenotyp, så dessa två RPL23a-paraloga proteiner har använts som exempel på ribosomala proteinparaloger med funktionell divergens i många publicerade artiklar.

Resultat

I denna studie karakteriserade vi T-DNA-insättningsmutanter av RPL23aA och RPL23aB. Ett sällsynt icke-alleliskt icke-komplementeringsfenomen hittades i F1-avkomman från rpl23aa X rpl23ab kors, vilket avslöjade en doseringseffekt av dessa två gener. Både RPL23aA och RPL23aB visade sig uttryckas nästan i alla undersökta vävnader, vilket avslöjades av GUS-reporteranalys. Uttryck av RPL23aB drivs av RPL23aA promotor kan rädda fenotypen av rpl23aa, vilket indikerar att dessa två proteiner faktiskt är likvärdiga i funktion. Intressant nog, baserat på allmänt tillgängliga RNA-seq-data, fann vi att dessa två RPL23a paraloger uttrycktes på ett samordnat sätt och uttrycksnivån för RPL23aA var mycket högre än RPL23aB i olika utvecklingsstadier och i olika vävnader.

Slutsatser

Våra fynd tyder på att de två RPL23a-paraloga proteinerna är funktionellt ekvivalenta men de två generna är det inte. RPL23aA spelar en dominerande roll på grund av dess högre uttrycksnivåer. RPL23aB spelar en mindre roll på grund av dess lägre uttryck. Närvaron av paraloga gener för RPL23a-proteinet i växter kan vara nödvändig för att bibehålla dess adekvata dosering.


9.10: Paraloga gener och genfamiljer - Biologi

Alla artiklar publicerade av MDPI görs omedelbart tillgängliga över hela världen under en öppen licens. Inget särskilt tillstånd krävs för att återanvända hela eller delar av artikeln publicerad av MDPI, inklusive figurer och tabeller. För artiklar publicerade under en Creative Common CC BY-licens med öppen åtkomst kan vilken del av artikeln som helst återanvändas utan tillstånd förutsatt att originalartikeln tydligt citeras.

Feature Papers representerar den mest avancerade forskningen med betydande potential för stor genomslagskraft på området. Feature Papers skickas in på individuell inbjudan eller rekommendation av de vetenskapliga redaktörerna och genomgår expertgranskning innan publicering.

The Feature Paper kan vara antingen en original forskningsartikel, en omfattande ny forskningsstudie som ofta involverar flera tekniker eller tillvägagångssätt, eller en omfattande översiktsartikel med kortfattade och exakta uppdateringar om de senaste framstegen inom området som systematiskt granskar de mest spännande framstegen inom vetenskapliga litteratur. Denna typ av papper ger en inblick i framtida forskningsriktningar eller möjliga tillämpningar.

Editor's Choice-artiklar är baserade på rekommendationer från vetenskapliga redaktörer för MDPI-tidskrifter från hela världen. Redaktörer väljer ut ett litet antal artiklar som nyligen publicerats i tidskriften som de tror kommer att vara särskilt intressanta för författare eller viktiga inom detta område. Syftet är att ge en ögonblicksbild av några av de mest spännande arbeten som publicerats inom tidskriftens olika forskningsområden.


Metoder

PCR-amplifiering och molekylärbiologi

Elefanthaj Callorhinchus milii, mindre fläckig katthaj Scyliorhinus canicula, sjölamprä Petromyzon marinus eller europeisk flodlampöga Lampetra fluviatilis genomiskt DNA eller cDNA användes för PCR-amplifieringar. Callorhinchus milii hypofys RACE-färdigt cDNA syntetiserades från totalt RNA med användning av SMART RACE cDNA Amplification Kit (Clontech, USA) enligt tillverkarens protokoll.

Listan över oligonukleotidprimrar som används för denna studie är tillgänglig på begäran: de är vanligtvis 20-23 nukleotider långa med en smälttemperatur (Tm) som sträcker sig från 60 till 68°C. Reaktioner realiserades i en volym av 25 μl innehållande 10 ng genomiskt DNA (eller av en 1/1000:e spädning av en primär PCR-reaktion eller av ett renat fragment), 0,5 enheter GoTaq DNA-polymeras (Eurogentec, Saraing, Belgien) med dess lämpliga 1× buffert kompletterad med 0,25 mg /ml bovint serumalbumin (när kapillärrör användes), 2,5 mM MgCl2, 0,2 mM dNTP och 0,2 mM μM av varje primer. PCR-reaktioner kördes antingen på en 1605 Rapid Cycler (Idaho Technology, Idaho falls, ID) med ett denatureringssteg på 1 min vid 94°C följt av 35-40 cykler på 10 sek vid 94°C, 10 sek vid 5°C under Tm för oligonukleotiden med den lägsta Tm och 30 sek - 1 min vid 72°C eller på en BioRad C1000 termisk cykler med användning av samma parametrar förutom att 30 sek steg användes istället för 10 sek. En 3'-svansning uppnåddes genom ett ytterligare 30 minuters inkubationssteg vid 72°C när subkloning av amplifierade fragment skulle utföras. Amplifierade fragment eluerades från 1 x TAE (40 mM Tris, 2 mM ättiksyra, 1 mM EDTA) buffrad agarosgel med användning av MinElute Qiagen-extraktionssats (Qiagen AS, Oslo, Norge). De användes sedan antingen som mall för kapslad PCR eller subklonades in i pGEM-T easy-vektor (Promega Corporation, Madison, WI) eller pCRII-TOPO-vektor (Invitrogen Corporation, Carlsbad, Ca) och sekvenserades (värdeläsningssekvensering vid MWG Biotech, Ebersberg , Tyskland).

Alla sekvenser av C. milii har skickats till GenBank (accessionsnummer HQ174782 till HQ174794). EST-sekvenserna erhölls genom sekvensering med hög genomströmning av flera vävnads- eller stegspecifika cDNA-bibliotek: a Lampetra fluviatilis embryonal-prolarval (stadier 20-26) cDNA-bibliotek (EMBL:FR693754], en Petromyzon marinus larvhuvudets cDNA-bibliotek [26] (EMBL:FR693760 BN001520-BN001524) och en Scyliorhinus canicula embryonalt cDNA-bibliotek [27] (EMBL::FR693755-FR693759).

Databassökningar

De flesta sekvenser erhölls genom BLAST-analyser [28] på offentliga databaser på NCBI:s webbplats (http://blast.ncbi.nlm.nih.gov./Blast.cgi) med hjälp av nukleotid- eller proteinsekvenser som fråga beroende på det fylogenetiska avståndet mellan frågan och måldatabasen. Elefanthajen Callorhinchus milii och lamprä Petromyzon marinus sekvenser BLAST-söktes först på Trace-arkiv för hela genomet hagelgevär (WGS) sekvensdatabaser för dessa arter på NCBI eller på Contig-rekonstruktionerna tillgängliga på den dedikerade servern (http://esharkgenome.imcb.a-star.edu.sg/ ) för Callorhinchus genomet eller på webbplatsen för Genome Sequencing Center vid Washington University i Saint Louis för Petromyzon genomet (http://genome.wustl.edu/tools/blast/Petromyzon_marinus-3.0).

Genomisk klustring och syntenyanalys

Genomiska miljöer analyserades med hjälp av NCBI Map viewer-webbplatsen (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/mapview/) för människa (v36), zebrafisk (Danio rerio: Zv9), kyckling (Gallus gallus: byggd 2.1) och ödla (Anolis carolinensis: byggt 1.1) genom, Ensembls webbplats (http://genome.ucsc.edu/cgi-bin/hgGateway) för lamprey (Petromyzon marinus: assembly WUSTL v3.0) genomet och JGI-webbplatserna (http://genome.jgi-psf.org/) för amphioxus (Branchiostoma floridae montering v1.0) och havssprutan (Ciona intestinalis assembly v2.0) genom.

De paraloga genuppsättningarna bestämdes och förfinades genom jämförelser mellan amphioxus- och vertebrat-genomet i ett förfarande innefattande flera successiva steg. Vi använde först Genomicus [29] online genomisk analysverktyg (http://www.dyogen.ens.fr/genomicus-57.01/cgi-bin/search.pl) för att spåra tillbaka amphioxus (Branchiostoma floridae assembly version 2) homologer av gener som finns i direkt närhet av gpa2, gpb5 och GPH-subenhetsgener i human-, kyckling- eller zebrafiskgenom. Analys av deras läge visade att ett stort antal av dem var koncentrerade på ett begränsat antal ställningar av varierande längd i amphioxus. I ett omvänt tillvägagångssätt och fortfarande genom att använda Genomicus, bestod det andra steget i att bestämma platsen i det mänskliga genomet av homologerna för alla amphioxus-gener som bärs av de av byggnadsställningarna som innehåller den högre koncentrationen av homologer. De individuella medlemmarna av motsvarande mänskliga genfamiljer verkade vara fördelade mellan bestämda områden med syntensförhållande till amphioxus-ställningarna. Nya områden identifierades därför som innehöll paraloger av gener lokaliserade i den genomiska miljön av gph eller gpa/gpb relaterade gener. I ett tredje steg bestämde vi sedan systematiskt platsen i det mänskliga genomet av paralogerna för generna som finns i vart och ett av dessa områden. Paraloga samband på ryggradsdjursnivå erhölls a priori på Ensembl-servern (http://www.ensembl.org/index.html). När nivån av paralogi inte var tydligt bestämd, utfördes BLAST-analyser med användning av humana sekvenser mot amphioxus-genomet. Om några besläktade mänskliga sekvenser matchade en enda amphioxus-gen, sprängdes mål-amphioxus-genen omvänt mot det mänskliga genomet för att verifiera att de ursprungliga mänskliga frågegenerna verkligen var de sanna homologerna (dvs de fick de högre sprängträffvärdena). I slutet av detta tredje steg kunde vi sedan bättre bestämma storleken och gensammansättningen för ett antal paraloga regioner i det mänskliga genomet. I ett fjärde steg och för att säkerställa deras gruppering i fyra paraloga genuppsättningar (dvs, tetra-paralogoner) platsen för ortologer av representativa (med hänsyn till deras position) gener identifierade i dessa paraloga regioner bestämdes i kyckling- och ödlsgenom på Ensembl-servern. I ett sista steg identifierade vi alla amphioxus-homologer till de mänskliga generna som utgjorde tetra-paralogonerna. Detta gjordes genom att använda sökproceduren på JGI:s webbplats (http://genome.jgi-psf.org/cgi-bin/searchGM?db=Brafl1) för Branchiostoma floridae genomisk version 1 sedan genom att kontrollera att den bästa träffen hos människan av den erhållna genmodellen verkligen motsvarade genen med vilken det homologa förhållandet söktes. Ställningspositionen erhölls sedan genom att spränga genmodellen av version 1 på amphioxus-genomet version 2 som var versionen som användes för genomjämförelser.

Fylogenetiska rekonstruktioner

Fylogenetiska analyser utfördes på proteinsekvenser anpassade med Se-AL programvara (http://tree.bio.ed.ac.uk/software/seal) antingen genom att använda en maximal sannolikhetsmetod med PhyML 3.0 programvara [30] med WAG som substitution modell och standardinställningarna på webbservern phylogny.fr (http://www.phylogeny.fr/version2_cgi/phylogeny.cgi) eller med en maximal sparsamhetsmetod med PAUP version 4.1beta (Phylogenetic Analysis Using Parsimony [31]). Robustheten hos rekonstruktionerna uppskattades genom bootstrapping med (100 replikat för PhyML, 1000 för PAUP).


Nya gener har sitt ursprung via flera rekombinationsvägar i beta-globingenfamiljen av gnagare

Artskillnader i storlek eller medlemskapssammansättning av multigenfamiljer kan tillskrivas härstamningsspecifika tillägg av nya gener via duplicering, förluster av gener via deletion eller inaktivering och skapandet av chimära gener via domänblandning eller genfusion. I princip bör det vara möjligt att sluta sig till de rekombinationsvägar som är ansvariga för var och en av dessa olika typer av genomisk förändring genom att utföra detaljerade jämförande analyser av genomiska sekvensdata. Här rapporterar vi ett försök att reda ut den komplexa evolutionära historien för beta-globingenfamiljen i en taxonomiskt olika uppsättning gnagararter. Huvudmålen var: 1) att karakterisera den genomiska strukturen av beta-globingen-klustret av gnagare 2) att tilldela ortologa och paraloga relationer mellan dubbla kopior av beta-liknande globingener och 3) att sluta sig till de specifika rekombinationsvägar som är ansvariga för genen duplikationer, gendeletioner och skapandet av chimära fusionsgener. Resultaten av våra jämförande genomiska analyser avslöjade att variationen i genfamiljens storlek bland gnagararter huvudsakligen kan tillskrivas den differentiella vinsten och förlusten av senare uttryckta beta-globingener via ojämn korsning. Emellertid var två distinkta rekombinationsmekanismer inblandade i skapandet av chimära fusionsgener. Hos muroida gnagare skapades en chimär gamma/epsilon-fusionsgen genom ojämn korsning mellan de embryonala epsilon- och gamma-globingenerna. Intressant nog genererades denna gamma/epsilon-fusionsgen på samma sätt som "anti-Lepore" 5'-delta-(beta/delta)-beta-3'-dupliceringsmutanten hos människor (den ömsesidiga utbytesprodukten av det patologiska hemoglobinet Lepore) deletionsmutant). Däremot, i husmusen, Mus musculus, skapades en chimär beta/delta-fusionspseudogen av en beta-globin --> delta-globin-genomvandlingshändelse. Även om gamma/epsilon- och beta/delta-fusionsgenerna delar en liknande chimär genstruktur, har de sitt ursprung via helt olika rekombinationsvägar.

Siffror

Genomisk struktur av β-globin...

Genomisk struktur av β-globinklustret i gnagare och två utgruppsarter - människa och ...

Filogram för maximal sannolikhet som visar relationer...

Filogram för maximal sannolikhet som visar relationer mellan embryonala β-liknande globingener hos gnagare. De…

Filogram för maximal sannolikhet som visar relationer...

Filogram för maximal sannolikhet som visar relationer mellan HBB-gener hos gnagare. De fylogeniska rekonstruktionerna...

Ortologa förhållanden mellan β-liknande globin...

Ortologa relationer mellan β-liknande globingener hos gnagare, kaniner och människor, enligt slutsatsen ...

Punktdiagram över sekvenslikhet...

Punktdiagram av sekvenslikhet mellan HBD- och HBB-gener hos kanin,...

Punktdiagram av en kromosomal...

Punktdiagram av ett kromosomalt fragment som spänner över β-globingenklustret på kromosom...

Alternativa modeller för evolutionen...

Alternativa modeller för utvecklingen av mus-β-globingenklustret. Tre alternativ…


Slutsats

Vår studie visade att A-superfamiljens konotoxingener av Conus arter har ökad genomsättning i kombination med ökad evolution. Den omfattande genomsättningen verkar ha underlättat en enorm diversifiering av sammansättningen av A-superfamiljen bland arter och förmodligen möjliggjort funktionella förändringar av peptider uttryckta i gifterna hos dessa arter, ett tillstånd som kan tvingas fram av kostförändringar eller ursprunget till resistens i byte. Ökningen av antalet genkopior skapar sannolikt ytterligare mål för möjlighet till fördelaktiga mutationer, förbättrar effektiviteten av positivt urval och kan så småningom leda till uppkomsten av nya genfunktioner. I denna mening underlättar kontinuerlig strålning av genfamiljer diversifieringen och den snabba utvecklingen av gener som är associerade med interaktioner mellan rovdjur och bytesdjur. En sådan omfattande omsättning av conotoxin-gener påverkar förmågan att rekonstruera de långsiktiga evolutionära mönstren för dessa gener, och det är därför viktigt att undersöka den evolutionära historien och relationerna mellan dessa gener över korta tidsintervall.

Vi tackar Jon-Paul Bingham (University of Hawaii) för att ha tillhandahållit C. quercinus exemplar. Vi tackar David A. Roberts för hans hjälp med simuleringar. Vi tackar Jianzhi Zhang, Alex S. Kondrashov, Taehwan Lee och Celia K.C. Churchill för deras förslag på manuskriptet. Vi tackar de tre anonyma granskarna och den associerade redaktören Todd Oakley för deras värdefulla förslag och kommentarer. Detta arbete stöddes av medel från University of Michigan Rackham Graduate School och ett Rackham/Department of Ecology and Evolutionary Block Grant tilldelat Dan Chang och ett National Science Foundation-pris (IOS-0718379) till Thomas F. Duda Jr. Författarna förklarar inga konkurrerande ekonomiska intressen.


Metoder

Vår samling av icke-redundanta Arabidopsis Dof-proteiner samlades in från tre olika och sammanlänkade källor: Munich Information Center for Protein Sequences-databasen (MIPS, MATDB http://mips.gsf.de/proj/thal/db), Institutet för Genomisk forskning, ( TIGR db, http://www.tigr.org/tdb/e2k1/ath1/index.shtml) och det europeiska projektet Regulatory Gene Initiative on Arabidopsis (REGIA). Information om genstrukturen erhölls från TIGR db. Redundansanalyser av Arabidopsis genomiska regioner som omfattar Dof-gener utfördes med Redundancy Viewer vid MATDB.

Sammanställningen av en icke-redundant uppsättning av ris Dof-proteiner erhölls från Oryza sativa ssp. japonica och Oryza sativa ssp. indica databaser. Sekvenser för japonica erhölls från International Rice Genome Sequencing Project, IRGSP, genom verktyget Rice TIGR db BLAST http://www.tigr.org/tdb/e2k1/osa1/index.shtml. Nysläppta sekvenser från kromosom 1 och 4 [33, 34] erhölls från DNA Data Bank of Japan http://www.ddbj.nig.ac.jp/Welcome-e.html. Ytterligare japonica sekvenser erhölls från Syngenta-projektet genom att bläddra i Torrey Mesa Research Institute (TMRI) Rice Genome Database http://www.tmri.org/. Sekvenser för indica erhölls från Whole Genome Shotgun Sequencing Project vid Beijing Genomics Institute med hjälp av O. sativa BLAST-sida på NCBI http://www.ncbi.nlm.nih.gov/PMGifs/Genomes/riceWGS.html. Genstruktur för tidigare annoterade Dof-gener erhölls från Rice TIGR db. Oannoterade Dof-gener kommenterades med hjälp av Rice Genome Automated Annotation System (RiceGAAS http://ricegaas.dna.affrc.go.jp) vid National Institute of Agrobiological Science. Ytterligare information tillhandahölls från MATDB.

Justeringar av proteinsekvenser av CLUSTALW [43, 45, 46] utfördes på DNA Data Bank of Japans sida http://www.ddbj.nig.ac.jp/Welcome-e.html. Bootstrapping-analys med en trädutgång i PHYLIP-format utfördes efter grannsammanfogningsmetoden och träden representerades med hjälp av programvaran TREEVIEW (v. 1.6.6) [47]. Ris och Arabidopsis konserverade motivanalys inom de bestämda Dof-grupperna utfördes med hjälp av RiceGAAS, MEME ([48] http://meme.sdsc.edu/meme/website/intro.html) och BLOCKS ([49] http: //blocks.fhcrc.org/blocks) program.


Bakgrund

Genfamiljer, som består av flera gener som delar liknande strukturer och funktioner, spelar viktiga roller för en given organism. Nu har alla möjliga genfamiljer hittats i eukaryoter, som t.ex bHLH [1], TCP [2], och Prx [3]. Bland alla genfamiljer är SPL (squamosa promoter binding protein, SBP) en växtspecifik familj som är brett spridd i gröna växter. Växt-SPL-proteinerna, binder till SQUAMOSA-promotorn av MADS-Box-gener, identifierades först i ett cDNA-bibliotek av Antirrhinum majus blomställning [4]. Dessa proteiner innehåller en specifik SBP-domän som omfattar cirka 70 aminosyror och har två zinkfingerplatser (Cys-Cys-His-Cys och Cys-Cys-Cys-His) [5, 6]. I denna domän koordinerar de 4 aminosyraresterna en zinkjon, vilket spelar en viktig roll för att upprätthålla stabiliteten hos proteinets konfiguration. Dessutom överlappar en bevarad nukleär lokaliseringssignal belägen vid C-terminalen av SBP-domänen den andra zinkfingerstrukturen [7] och styr proteinet till kärnan för att reglera transkriptionen av nedströms gener.

Under de senaste åren har ett stort antal SPL gener har framgångsrikt klonats i olika växter, och dessa SPL gener distribueras från C. reinhardtii till P. patens och högre växter [8]. För närvarande är identifieringen och utvecklingen av SPL genfamiljen har studerats i A. thaliana [9, 10], ris [5], sojaböna [11], Populus [12], Petunia [13], Gossypium [14] och tobak [15]. Baserat på analysen av sekvenshomologi och fylogeni klassificeras denna familj vanligtvis i 6–9 undergrupper. Guo [8] rapporterade att 120 SPL gener från nio arter uppdelade i 3 grupper, alla SPL gener från landväxter har klassificerats i två distinkta grupper och 7 undergrupper. Yang [5] delade 35 SPLs från ris och A. thaliana i tre kategorier: A, B och C, med alla SPL gener klassificerade i 9 underfamiljer. I Populus [12], den 28 PtSPLs delades upp i 8 undergrupper. I Salvia miltiorrhiza, 15 SPL gener delades in i 6 undergrupper [16]. Tyvärr har lite forskning utförts för att visa klassificeringen av SPL genfamiljen i vete.

Uttrycksnivåerna för SPL gener kan styras av miR156/157. Rhoades [17] och Schwab [18] fann att 11 av 17 SPLs i A. thaliana innehåller miR156/157 igenkänningsplatser. Schwab [18] rapporterade att överuttryck av miR156 in A. thaliana nedreglerade uttrycket av flera SPLs, dock, SPLs utan detta erkännande var webbplatsen opåverkad. Efter att ha muterat miR156/157 igenkänningsstället för AtSPL3, transkriptionsnivån för AtSPL3 ökade signifikant [19]. Salinas observerade det komplementära uttrycket mode i toppar och ståndare av SlySPL gener med miR156/157, vilket avslöjar det SlySPL gener regleras av miR156/157 [20].

De SPL gener, vars uttrycksnivåer styrs av miR156/157, spelar avgörande roller i olika aspekter av växttillväxt och fysiologi, inklusive växtembryon, vävnader och vegetativa fasförändringar, transduktion av gibberellin och ljussignaler och torkstress- och saltstresssvar . Till exempel orsakade hämning av posttranslationell modifiering av AtSPL3-proteinet tidig blomning Arabidopsis [19]. AtSPL3, − 4, och − 5 reglerade uttrycket av nyckelgenerna nedströms AtAP1, FULLT, och AtLFY att vara involverad i utveckling av blommeristem [10]. Zhang har visat det SPL8 genen positivt reglerad GA-signalering i blomman, men negativa roller hittades i plantan, vilket antyder att VidSPL8 modulerar GA-signalering i anläggningsutveckling [21]. Wang påstod det OsSPL16 kan effektivt förbättra kornkvaliteten och skörden genom att öka celldelningen och kornfyllningen, vilket innebär att denna gen har positiva konsekvenser för riskornsutvecklingen [22]. OsSPL14 hämmade antalet jordfräsar i ris, men främjar panikelförgrening för att öka kornvikten tillsammans med starkare stjälkar [23]. Vid låg temperatur (5 °C), båda VvSBP3 och VvSBP5 var uppreglerade men VvSBP4 och VvSBP7 nedreglerades, vilket tyder på att VvSBP3 och VvSBP5 är förknippade med lågtemperatursvar i Vitis vinifera L. [24]. De BpSPL9 svara på salt och torka stress, Överuttryckt BdSPL9 i björklöv kan rensa av ROS för att förbättra toleransen mot salt och torka stress [25]. Mycket är känt om funktionerna SPL gener i A. thaliana och ris, dock är sådan information för vete begränsad.

Den växtspecifika SPL familjen spelar en viktig roll för tillväxt och utveckling. Med utvecklingen av genomsekvenseringstekniker har olika transkriptionsfaktorer eller genfamiljer i växter identifierats. Även om många växter SPL gen familjemedlemmar har identifierats, detta är inte fallet för vete, och kunskap om SPL genfunktionerna hos denna art är begränsade. I denna studie använde vi bioinformatiska metoder för att identifiera SPL gener i vete, och vi analyserade TaSPL egenskaper baserade på resultaten av genstrukturer, motiv, cis-element, fylogenetiska relationer, genduplikationer, GO-annotering, protein-protein-interaktioner och genuttrycksmönster, och förutspådde deras funktioner. Våra resultat gav information om den funktionella förklaringen och utvecklingen av SPL gener i vete.


Åldersfördelning av mänskliga genfamiljer visar betydande roller för både stor- och småskaliga duplikationer i ryggradsdjurs evolution

Den klassiska (två runda) hypotesen 1 om duplicering av ryggradsgenom föreslår två på varandra följande helgenomduplicering(er) (polyploidiseringar) före fiskarnas ursprung, en uppfattning som nu allvarligt utmanas 2,3,4,5,6,7. Eftersom debatten till stor del rör de relativa fördelarna med teorin om 'big-bang mode' 8,9,10,11,12,13 (storskalig duplicering) och teorin om 'continuous mode' (konstant skapande genom småskaliga dupliceringar) 2,3,4,5,6,7,14, testade vi om en betydande del av paraloga gener i det samtida mänskliga genomet verkligen genererades i det tidiga skedet av ryggradsdjurens evolution. Efter en omfattande sökning av stora databaser daterade vi 1 739 gendupliceringshändelser från den fylogenetiska analysen av 749 genfamiljer med ryggradsdjur. Vi hittade ett mönster som kännetecknas av två vågor (I, II) och en gammal komponent. Våg I representerar en nyligen utökad genfamiljsexpansion genom tandem- eller segmentdupliceringar 15, medan våg II, en snabb paralog genökning i det tidiga skedet av ryggradsdjursutveckling, stöder idén om genomduplicering(er) (big-bang-läget). Ytterligare analys indikerade att stor- och småskaliga gendupliceringar båda ger ett betydande bidrag under det tidiga skedet av ryggradsdjursutveckling för att bygga den nuvarande hierarkin av det mänskliga proteomet.


Denna forskning sponsrades av State Key Laboratory of Cotton Biology Open Fund (bidragsnummer CB2019A03 och CB2018A07), ett omfattande forskningsfondprojekt vid Xianyang Normal University (XSYK20002), utbildningsprogrammet för innovation och entreprenörskap för högskolestudenter i Shaanxi-provinsen (2020101S202010701S2020707) , National Natural Science Foundation of China (bidragsnummer 31872175) och nyckelforsknings- och utvecklingsprogram i Shaanxi-provinsen (bidragsnummer 2019NY-103). Finansieringsorganen gav ekonomiskt stöd till forskningsprojekten men involverade inte i studiedesign, datainsamling, analys eller förberedelse av manuskriptet.

Lingling DOU och Limin LV bidrog lika mycket till detta arbete.

Tillhörigheter

School of Chemistry and Chemical Engineering, Xianyang Normal University, Xianyang, 712000, Shaanxi, Kina

Lingling DOU, Yangyang KANG, Ruijie TIAN, Deqing HUANG, Jiayin LI, Siyi LI, Fengping LIU, Lingyan CAO, Yuhua JIN, Yang LIU, Huaizhu LI & Wenbo WANG

State Key Laboratory of Cotton Biology, Institute of Cotton Research of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Anyang, 455000, Kina

Limin LV, Chaoyou PANG, Haihong SHANG & Guoli SONG

Zhengzhou University forskningsbas för State Key Laboratory of Cotton Biology i Kina, Zhengzhou, Kina

Haihong SHANG, Guoli SONG & Guanghui XIAO

Key Laboratory of Plant Stress Biology, State Key Laboratory of Cotton Biology, School of Life Sciences, Henan University, Kaifeng, Kina

College of Life Sciences, Shaanxi Normal University, Xi'an, 710119, Kina


Titta på videon: 01 Mekanisme evolusi 1 (December 2022).