水稻POP基因家族的生物信息学分析

论文总字数：7273字

摘 要

POP（Prolyl Oligopeptidase）蛋白质家族属于丝氨酸蛋白酶家族，对动物的记忆、血压和糖尿病等具有重要的调控作用，而在植物中还少有报道。为了解POP基因在水稻中的结构与功能，采用生物信息学方法鉴定出水稻基因组中12个POP基因。亚细胞定位分析表明，多数OsPOP蛋白定位在叶绿体中。系统发育分析表明该家族可分为三个亚组，说明其成员已经发生了分化；在系统发育树的末端发现了5对旁系同源基因，说明物种特异性扩张是该家族进化的主要动力。EST表达分析表明，OsPOP基因主要在花、根、芽和愈伤组织中表达，在叶片和种子中较少表达。芯片数据表达分析显示部分基因参与植物激素的应答。这些结果为OsPOP基因的功能分析奠定了基础。

关键词：水稻，POP基因，进化分析，表达分析

Abstract: POP (Prolyl Oligopeptidase) family belongs to serine protease families. It plays an important role in the animal memory, blood pressure and diabetes, but little is known in plants. To illustrate the structure and function of POP genes in rice, 12 POP genes were identified using bioinformatics approaches. Subcellular localization analysis showed that the majority of OsPOP proteins is localized in chloroplasts. Phylogenetic analysis divided OsPOP proteins into three subgroups, suggesting that divergence has occurred among this family. Five pairs of paralogous genes were identified at the terminal of phylogenetic tree, indicating that species-specific expansion contributed to the evolution of this family. Expression analysis using EST data showed that OsPOP genes are expressed mainly in flowers, roots, shoots and callus but slightly in leaves and seeds. Microarray data analysis showed that some genes participate in plant hormone response. These results lay a solid foundation for the functional dissection of OsPOP genes.

Keywords: Oryza sativa, POP gene, evolutionary analysis, expression analysis

目 录

1 引言 4

2 材料与方法 4

2.1 序列检索和基因复制分析 4

2.2 多序列对比和系统发育分析 5

2.3 EST和芯片表达分析 5

3 结果与分析 5

3.1水稻中的POP基因家族 5

3.2 水稻POP基因的染色体分布和复制事件 5

3.3 水稻POP蛋白的系统发育分析 7

3.4 水稻POP基因组织器官表达分析 8

3.5水稻POP基因芯片表达分析 8

结 论 10

参 考 文 献 11

致 谢 12

1 引言

脯氨酰寡肽酶（Prolyl Oligopeptidase），过去也称为脯氨酰内肽酶，是一种神经肽酶，特异性水解不超过30个氨基酸的蛋白质多肽链。POP最早在人体子宫组织的匀浆中被发现，此后陆续在鼠、兔、牛、羊、人等的不同组织以及昆虫、植物、真菌、细菌和古细菌中都分离到了该类酶。在现今的药品制药方面涉及颇多，在肽激素的调节中扮演着重要的角色，并且参与到了多种疾病当中（如老年痴呆和2型糖尿病）。同时可以降解许多参与学习和记忆的神经肽，如P物质、促甲状腺释放激素等^{[1, 2]}。在植物方面，发现了北沙参中的POP有着保护和调节肽能神经递质的作用^[3]。

水稻是一年生禾本科植物，是重要的粮食作物。科学家在1998年开始水稻基因组序列分析，称为国际水稻基因测序计划（IRGSP），并于2002年公布了整个水稻的序列图谱^[4]。水稻的基因组是高等生物中基因测序最完整的，在鉴定出的37500个基因中，包括了数个控制重要农艺性状的基因。例如提高水稻产量的基因、改变水稻受光周期的基因等。同时由于水稻基因组较小、易于转化及与其他禾本科植物基因组的同线性和共线性等特点，一直被作为禾本科植物基因组研究的模式作物。然而，水稻中POP基因的进化和功能目前尚不明确。本研究利用基因组序列信息对水稻POP基因家族进行了系统鉴定，通过系统发育分析研究了其进化历史与机制。此外，通过对GenBank的EST数据库检索和芯片数据表达分析，研究了该家族基因组织器官和植物激素处理下的表达模式。这些结果为水稻POP基因的功能研究奠定了基础。

2 材料与方法

2.1 序列检索和基因复制分析

从Pfam网站（http://pfam.xfam.org/）下载POP结构域的一致性序列，利用该序列在RGAP和NCBI数据库中进行比对搜索，挑选E≤10^-10的序列作为候选蛋白。再利用Pfam网站预测这些候选蛋白的POP结构域，若存在POP结构域，则认为该候选蛋白属于POP家族，若未能检测出POP结构域，则认为其不属于该家族。从RGAP中下载每一条记录的基因序列和蛋白质序列，获得每一条记录的外显子数、蛋白质氨基酸数、转录方向等信息。并且从KOME（http://cdna01.dna.affrc.go.jp/cDNA/）网站中获取其cDNA获取号，利用ProtParam（http://web.expasy.org/protparam/）工具预测蛋白质等电点。

OsPOP基因在染色体上的位置图通过MapChart软件绘制并手工编辑。通过检索Plant Genome Duplication Database (PGDD, http://chibba.agtec.uga.edu/duplication/index/locus)查找OsPOP基因的片段复制事件；如果两个基因在染色体位置上相距很近，间隔不超过5个基因，则认为起源于串联重复事件。

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