全 文 ：生物技术通报
·研 究 报 告 · 年 第 期
编辑修复藻苔 , 叶绿体
基因中的突变
万平
首都师范大学生命科学学院 , 北京 仪〕
摘 要 藻苔 之诚山 叶绿体基因组中存在着非常高的 编辑频率 , 这种现象至今没有得到很好的解释。
本研究采用比较基因组学方法 , 对小立碗鲜 。 、青苔 。 和藻苔 种苔醉植物中 基因的
序列和基因编码的蛋白氨基酸序列进行比较分析。研究发现 , 经过 编辑 , 藻苔的基因产物获得了与其同源基因相同的氮
基酸序列。藻苔中高频发生的 编辑是对基因组中 突变的一种修复 , 提高了藻苔对强辐射环境的生存适应能力。
关键词 编辑 藻苔 修复 突变
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编辑指在 分子水平上改变遗传信息
的转录后过程 一, 〕。 编辑现象于 年首先
在锥体虫线粒体中被发现 。 年后在植物的线粒
体中也发现了 编辑现象 一, 〕。植物叶绿体中
的 编辑现象于 年被发现 」。截至目前 ,
除古细菌外 , 在真核生物 、 细菌和病毒中都已发现
编辑现象 。
植物中 编辑主要发生在叶绿体和线粒体
这两种细胞器中 。」。植物 编辑类型主要有
种 一一 、 一一和 一一。 一一 编辑发生在除
苔类植物地钱 瓦 之外的所有陆生植物中 ,
一一 编辑只发生在从角苔到蔽类的少数非开花陆
生植物中 〔川。 一一编辑只在种子植物叶绿体
中被观察到 ·伙
藻苔 无无 属于藻苔科
。 ,藻苔属 无无 ,分布在亚洲和北美洲 `〕
藻苔有许多不寻常的特征 。它的配子体具有精囊球
和抱子体 , 但无生殖能力 ” 〕。藻苔的栖息环境多
种多样 , 从贫痔的岩石至潮湿的腐殖质都可生存 。
藻苔垂直分布范围广 , 从海平面到亚高山带都有分
布 “。更突出的是 , 藻苔叶绿体中 编辑现象
的发生频率非常高。 年 , 等 ” 研究了藻
苔叶绿体基因组中 范围内的 编辑现象 ,
共发现 个 编辑位点 。而同属于苔鲜植物的
收稿日期 一 一
作者简介 万平 , 男 , 博士 , 研究方向 生物信息学 一 一 阴
DOI :10.13560/j.cnki .bio tech.bul l.1985.2013.04.033
生物技术通很丑 舒 点 年 第 期
小立碗鲜 尸枷 二 叶绿体基因组全序
列中 编辑位点仅有 个 。目前人们对这种巨大
的差异还没有给出解释 〔
本研究采用比较基因组学方法 , 对小立碗鲜 、
青苔 和藻苔 种苔醉植物中
基因的 序列及其编码的蛋白氨基酸序列
进行比较分析 。旨在揭示 编辑在修复基因突变
方面具有的重要生物学意义 。
材料与方法
数据
从 数据库中下载小立碗鲜 、青苔 、
藻苔 。“刀基因的 序列及其编码的氨基酸序列 ,
号分别为 、 和 。
藻苔 基因共有 个 一一编辑位点 表 。
表 藻苔 基因中的 编辑位点
编辑
位点
编辑前
密码子
编辑前
氨基酸
编辑后
密码子
编辑后
氨基酸
辑前后密码子及氨基酸种类的变化 。
结果
本研究选取小立碗鲜和青苔两种苔辞植物与藻
苔一起进行 基因的比较基因组学研究 , 是因为
小立碗醉和青苔的 刀基因中都不存在 编辑
现象。因此 , 这两种苔鲜植物基因产物中的氨基酸
序列代表了苔鲜植物中氨基酸序列的原始状态 。根
据这些原始状态 , 能够判断苔醉植物藻苔在 编
辑前后密码子编码的氨基酸种类是否与原始状态相
同 , 进一步理解 对于藻苔生存的生物学意义。
为了找到苔鲜植物 刀基因产物的原始氨基酸
序列 , 首先对小立碗鲜 、青苔和藻苔 基因编码
的氨基酸序列进行了比对。结果 图 显示 , 在
藻苔 个 编辑位点所在的密码子编码的氨基
酸中 ,除 位编辑位点所在密码子编码的氨基酸外 ,
小立碗醉和青苔在相应位置上的氨基酸种类完全相
同 。这些相同的氨基酸代表了苔鲜植物 基因
产物中氨基酸的原始状态 。之后发现 , 与苔醉植物
基因产物中氨基酸的原始状态相比 , 藻苔
基因产物中许多氨基酸的种类发生了改变 。氨基酸
种类的改变反映出藻苔 基因 序列中发生
了突变 。这些突变中只有少数是同义突变 , 如 位
碱基由 突变为 , 所属密码子由 变为 ,
而氨基酸的种类并没有发生改变 , 依然编码丝氨酸
。而多数 突变属于非同义突变 , 突变导致
密码子编码的氨基酸种类发生改变 , 非同义突变可
能导致基因功能的丧失 , 有可能进一步威胁到物种
的生存 。
藻苔 `` 基因中发生的 次 一。一 编辑将
个非同义突变造成的氨基酸改变准确地修复回原始
状态 图 。例如 , 藻苔 基因第 位在基因
组序列中为 ,其所在密码子 编码精氨酸
而苔鲜植物原始状态中 , 该位置的氨基酸为色氨酸
。经过 一一 编辑 , 被替换为 , 密码子变
为 , 编码的氨基酸由 变为 , 与苔鲜植物原
始状态出现的氨基酸相同 。
讨论
藻苔生长在中国的西藏 , 平均海拔在
以上 。高海拔导致藻苔所受辐射远多于生长在低海
初七
比较基 因组分析
首先 ,采用 以 〕对小立碗鲜 只 , ` 、
青苔 “ 和藻苔 帅 基因
编码的氨基酸多序列进行比对 , 然后编写 程序。
根据氨基酸多序列比对结果对 基因的 序
列进行比对 , 并将 序列比对结果与氨基酸序列
比对结果合并在一起发现 , 藻苔 基因 编
2 0 13年 第 期 万平 编辑修复藻苔 叶绿体 基因中的突变
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小立碗醉 产 ` 和青苔 氨基酸序列所在行中 第 、 行 带背景的氨基酸代表苔醉柏物中氨基酸的原始状态 藻苔氨基酸序列中带
背景的氨基酸代表未发生 编辑前基因组 中密码子所编码的氨基酸 藻苔基因组 序列中带背景的碱基表示 编辑发生的位点 ,
对应其下方的 行分别代表 编辑位点的位置 如 “ ”代表第 个碱基 、 编辑的种类 如 ℃` ”表示 一一编辑类型 、
编辑前后氨基酸种类的改变 如 “ 表示 编辑前为丝氨酸 , 编辑后为亮氨酸
图 小立碗醉 、 青苔 、 藻苔 基因核酸序列及其编码的氨基酸序列比对结果
84 生物技术通报 舒 “ 年 第 期
拔处的小立碗鲜和青苔 。强辐射可造成物种基因组
中积累了大量突变 , 非同义突变可能对物种造成致
命的伤害。
本研究发现 , 藻苔基因组中积累了大量非同义
突变 , 但藻苔并没有在基因组水平上对这些突变进
行直接修复 , 而是通过 编辑在 水平上对
其进行修复 , 而且这种修复达到了非常完美的程度 。
因此 , 藻苔叶绿体中高频出现的 编辑现象是对
大量积累的 突变的一种修复机制 , 编辑
提高了藻苔在强辐射环境中的生存能力 。
参考文献
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责任编辑 狄艳红