全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2012, 48 (12): 1151~1166 1151
收稿 2012-08-18　　修定 2012-11-13
资助 自然科学基金面上项目(31000593)。
* 通讯作者(E-mail: zhangdb@sjtu.edu.cn; Tel: 021-34205073)。
拟南芥ABC转运类蛋白家族的分子进化、表达模式和蛋白功能网络预测
分析
朱璐, 许杰, 张大兵*
上海交通大学生命科学技术学院, 上海200240
摘要: ABC转运蛋白又称腺苷三磷酸结合盒转运蛋白(ATP-binding cassette transporters), 该基因家族是目前已知最大、最古
老的蛋白家族之一, 在植物中ABC转运蛋白种类繁多、结构复杂、功能多样, 涉及植物一切的生命活动过程。本研究系统
介绍了拟南芥中131个ABC转运蛋白的亚家族分类、系统命名、蛋白大小以及蛋白亚细胞定位等基因信息, 在此基础上,
分析了ABC转运蛋白基因在染色体分布以及进化过程中发生的复制事件; 其次在47个组织器官或发育阶段中聚类分析了
ABC转运蛋白的表达模式和各个亚家族分布规律, 结果表明ABC转运蛋白基因的表达具有明显的组织特异性和时空特异
性, 说明在进化过程中该类蛋白功能也进一步发生分化; 我们以花药发育过程为例, 说明ABC转运蛋白在花药发育过程中
具有较高的协调性, 在时空和组织上表达受到严格的调控; 最后我们分析了ABC转运蛋白亚家族内部和各个亚家族之间可
能存在的蛋白相互作用关系, 推测ABC半分子转运蛋白形成同源或异源二聚体发挥功能的可能性, 进一步说明ABC转运蛋
白在蛋白互作水平上也存在功能多样性和严格的调控关系。
关键词: 拟南芥; ABC转运蛋白; 分子进化; 表达分析; 蛋白相互作用
Molecular Evolution, Expression and Functional Network Prediction Analysis
of ABC Transporter Gene Family in Arabidopsis thaliana
ZHU Lu, XU Jie, ZHANG Da-Bing*
School of Life Sciences and Biotechnology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
Abstract: ABC transporters (ATP-binding Cassette transporters) family is one of the biggest and oldest protein
families, they have a variety of complex structure and diverse functions, participating in the various processed
of plant growth and development. In this study, bioinformatics analysis identified 131 ABC transporters genes
in Arabidopsis thaliana, a comprehensive overview of this gene family was presented, including the subfamily
classification, gene names, protein size and sub-cellular localization. The 131 ABC transporters genes were
grouped into 8 subfamilies on basis of phylogenetic relationship. Chromosome localization and gene
duplication analysis suggest that segmental and retro-transposition-like event may result in the ABC transporters
gene expansion. By analyzing the developmental expression pattern of ABC transporters genes of all the sub-
families in 47 organs or development stages in Arabidopsis, most of the ABC transporters genes were shown to
be expressed in obvious tissues, specific developmental time, suggesting that the functions of these proteins
differentiated during the evolution. We used anther development as one example and expression analysis
showed highly coordinated expression of the ABC transporters. Moreover we predicted the possible interactions
between ABC transporter proteins in every sub-family or among different ones using bioinformatic tool and
speculate the possible functional forms ABC half-transporters as homodimer or heterodimer. This work is
helpful in understanding the functional role of ABC transporters in plants.
Key words: Arabidopsis thaliana; ABC transporter; molecular evolution; expression analysis; protein-protein
interaction
ABC转运蛋白又称腺苷三磷酸结合盒转运蛋
白(ATP-binding cassette transporters), 该蛋白家族
是目前已知最大、最古老的蛋白家族之一(Verrier
研究报告 Original Papers
植物生理学报1152
2008)。由于这种蛋白的结构中都含有一个腺苷三
磷酸(ATP)的结合盒, 且具有转运物质的功能, 因而
被称作ABC转运蛋白。所有ABC转运蛋白的结构
都含有一个高度保守的ATP结合结构域(nucle-
otide-binding fold, NBF)和跨膜结构域(transmem-
brane domains, TMDs), 因此ABC转运蛋白是作为
一种膜整合蛋白来行使其转运功能的。其转运的
底物主要包括肽、糖、脂、重金属螯合物、多
糖、生物碱、类固醇、无机离子和谷胱甘肽结合
物等(Theodoulou 2000)。
ABC转运蛋白广泛存在于真核和原核生物
中。目前已知人类(Homo sapiens)基因组中有48个
ABC转运蛋白超家族成员(Borowski等2005), 酵母
(Saccharomyces cerevisiae)中有大约31个ABC转运
蛋白超家族(Chen等2007)。在大肠杆菌(Escheri-
chia coli) K-12基因组中, 至少有80个基因编码
ABC转运蛋白, 约占基因组的5% (Linton和Higgins
1998)。在植物界, 以水稻和拟南芥为代表的ABC
转运蛋白家族的成员都多达120个以上, 这是植物
为适应固着生活环境, 长期进化形成的(Verrier等
2008)。植物中的ABC转运蛋白已经进行了统一命
名, 将其分为9个亚家族: ABCA~ABCI (Verrier等
2008)。拟南芥基因组编码的129个ABC转运蛋白
分子大小从250到1 800个氨基酸不等。根据蛋白
的大小(全分子、半分子或四分之一分子)、结构
与组织形式和与其他生物ABC转运蛋白的相似性
比较而分为13个亚家族: MDR (multidrug resis-
tance)、MRP/ABCC (multidrug resistance-associat-
ed protein)、PDR/ABCG (pleiotropic drug resis-
tance)、AOH (ABC1 homolog)、PMP (peroxisomal
membrane protein)、WBC/ABCG (white-brown
complex homolog)、ATH (ABC2 homolog)、ATM
(ABC transporter of the mitochondrion)、TAP/
ABCB (transporter associated with antigen process-
ing)、RLI (RNase L inhibitor)、GCN (general con-
trol non-represible)、SMC (structural maintenance
of chromosomes)和NAP (nonintrinsic ABC protein)
(Rea 2007)。其中属于ABC全分子转运蛋白的有4
个亚家族: MDR (22个成员)、MRP (15个成员)、
PDR (13个成员)和AOH (1个成员); 属于ABC半分
子转运蛋白的有5个亚家族: PMP (2个成员)、
WBC (29个成员)、ATH (16个成员)、ATM (3个成
员)和TAP (2个成员); 属于ABC可溶性蛋白的有3
个亚家族: RLI (2个成员)、GCN (5个成员)和SMC
(4个成员)。另外还有15个可溶性蛋白没有在其他
生物中发现同源蛋白而被归入NAP亚家族(San-
chez-Fernandez等2001)。
ABC蛋白作为植物细胞膜蛋白的重要组成成
分, 其家族成员数量多、种类广、作用方式复杂,
参与植物细胞生命活动的许多过程, 如植物激素
运输、气孔调节、次生代谢产物的运输和环境胁
迫响应以及植物与微生物互作中发挥重要作用
(Rea 2007)。自从1992年国际上首次报道从拟南芥
(Arabidopsis thaliana)中克隆的AtPGP1 (又称为At-
MDR1)第一个植物ABC转运蛋白至今(Dudler和
Hertig 1992), 研究人员对植物ABC转运蛋白进行
了多方面的研究。在植物中ABC转运蛋白的主要
作用于植物次级代谢产物在特定器官中的积累,
比如: 根状茎(Shitan等2003)和具腺毛状体的形成
(Stukkens等2005); 角质层的脂类沉积(Panikashvili
等2007; Pighin等2004); 清除苹果酸酯和调节气孔
运动(Lee等2008); 解毒有害异物(Frelet-Barrand等
2008; Lee等2005; Martinoia等2002)以及植物生长
素的运输(Titapiwatanakun和Murphy 2009)。此外,
还有研究表明, ABC转运蛋白在作物产量、品质的
形成以及抗性应答中均发挥重要作用 ( X u等
2009)。
拟南芥作为双子叶植物分子生物学研究的模
式生物, 通过正向遗传学研究相应突变体的方法,
是目前对于ABC转运蛋白的功能和分类研究最具
有代表性和系统性的研究体系, 通过对拟南芥的
研究, 人们对植物中ABC转运蛋白的功能有了初
步的认识。但尽管如此, 因为ABC转运蛋白家族
在拟南芥中具有上百个成员, 存在基因冗余现象
(Verrier等2008), 相应突变体的缺失或表型微弱难
以观察、半分子蛋白互作的复杂性等等, 目前完
全利用正向遗传学方法, 很难以对于这些基因的
功能多样性进行全面系统地阐述和认识。因此,
为更加全面的了解、系统的分析拟南芥中ABC转
运蛋白的信息和功能, 本文利用基因组测序数据
与生物信息学手段, 分析了拟南芥中ABC转运蛋
白基因的具体信息、蛋白定位预测、染色体定位
朱璐等: 拟南芥ABC转运类蛋白家族的分子进化、表达模式和蛋白功能网络预测分析 1153
和基因复制的进化关系, 并对各个亚家族基因在
不同组织器官的表达模式、在花药发育阶段的功
能以及ABC转运蛋白半分子可能存在的直接相互
作用进行了全面研究, 旨在为拟南芥ABC转运蛋
白的功能研究打下基础和提供有意义的参考价
值。
材料与方法
1 拟南芥中ABC基因家族数据汇总、亚细胞定位
预测和GO功能分类
从拟南芥(Arabidopsis thaliana L.)信息资源数
据库(The Arabidopsis information resource, TAIR,
http://www.arabidopsis.org/)获得拟南芥ABC超家
族成员的基本信息 , 包括基因信息、亚家族分
类、基因位点、系统学命名、别名、蛋白大小和
蛋白结构域信息, 进一步对比目前相关文献报道,
核对基因注释的完整性和准确性。分析基因的
DNA序列和蛋白结构域信息, 并进一步结合在线
工具ATTED-II (http://atted.jp/)得到蛋白的亚细胞
结构预测结果。
Gene Ontology (GO)分析是使用一个基于网
络的工具和数据库(Go Analysis Toolkit and Data-
base for Agricultural community, agriGO, http://bio-
info.cau.edu.cn/agriGO/index.php), 主要包括生物
过程(biological process)、分子功能(molecular
function)和细胞组分(cellular component)三个部
分。
2 ABC基因家族在染色体分布和基因进化复制分析
利用TAIR网站(http://www.arabidopsis.org/)的
染色体图工具(chromosome map tool)作染色体图,
将预测的所有ABC转运蛋白基因定位到5条染色
体上的相应位置, 并分析相应的基因家族连锁信
息。同时利用公共资源数据库Paralogous in Arabi-
dopsis thaliana (http://oldwolfe.gen.tcd.ie/athal/dup),
分析拟南ABC转运蛋白家族成员中位于基因组倍
增片段上的基因 , 手动添加基因之间的复制信
息。
3 ABC转运基因表达谱信息收集和聚类分析
对获得的所有拟南芥ABC转运类蛋白基因,
利用公共资源数据库(The Bio-Array Resource for
Plant Biology, BAR, http://bar.utoronto.ca/welcome.
htm)中的Arabidopsis eFP Browser工具, 查询和下
载拟南芥发育芯片表达数据, 总共包括47个不同
组织器官或生长发育阶段: 干种子, 吸胀的种子(24
h), 茎的第一节点, 茎叶, 子叶, 根, 过渡期后到开花
的整个莲座丛, 不同花期(9、10/11、12和15期), 不
同时期的不同组织(花期12和花期15: 雄蕊、心
皮、花瓣、萼片), 花梗15 d, 叶1+2, 7叶(叶柄、叶
远侧半、叶近端半), 下胚轴, 根, 莲座叶(2、4、
6、8、10和12), 衰老叶片, 茎尖(花序、过渡和营
养 ) , 干 (第 2节间 ) , 成熟花粉 , 种子阶段
(3/4/5/6/7/8/9/10)和角果。对于与多个探针号对应
的基因取其平均值作为该基因的表达值。使用微
阵列数据分析Genesis (1.7.5)软件(Sturn等2002)进
行分析, 使用层次聚类方法对这些基因表达值进
行处理, 在聚类前对这些表达值以2作为底数做标
准化处理。
4 ABC转运蛋白相互作用(PPI)分析
对获得的所有拟南芥ABC转运类蛋白基因,
使用本实验室研发和已经公共发表(Wang等2012)
的互动的生物信息学网络工具(An Integrated Knowl-
edge Base for Arabidopsis Protein Protein Interaction
Network Analyses, ANAP, http://gmdd.shgmo.org/
Computational-Biology/ANAP/ANAP_V1.1/)进行
分析, 分别标明各个亚家族基因的位置和关系。
实验结果
1 拟南芥ABC转运类蛋白的基本信息和GO功能
分类
从拟南芥基因组注释数据库TAIR中查找并获
取131个ABC家族基因的序列及其基本信息(表1),
主要包括基因信息、亚家族分类、基因位点、系
统学命名、别名、蛋白大小和蛋白结构域信息。
我们可以获知ABC转运蛋白含有1~2个接合ATP的
盒(ABCs)或接合核苷酸的域(nucleotide-binding
domains, NBDs)和TMD, 具有较高保守性的NBD
位于膜的胞质面, 能结合并水解ATP供能; 而序列
相似性较低的TMD能够利用NBF释放的能量选择
底物并跨膜转运底物(Theodoulou 2000)。
根据蛋白的大小(全分子、半分子或四分之
一分子)、NBDs的结构特征、结构与组织形式和
与其他生物拟南芥ABC转运蛋白的相似性比较而
植物生理学报1154
表1 拟南芥中ABC转运蛋白基因家族分类以及基因信息
Table 1 The classification and information of ABC transporters families in Arabidopsis
基因家族 基因位点 系统学命名 别名 长度/aa 蛋白结构域 蛋白定位*
亚家族A AOH; ABCA At2g41700.1/2 AtABCA1_1/2 1 882/1 846 (TMD-NBD)2 M, C
(subfamily A) At3g47730.1 AtABCA2 ATATH1 983 TMD-NBD M, P
ATH; ABCA At3g47740.1 AtABCA3 ATATH2 947 O, P
At3g47750.1 AtABCA4 ATATH3 944 M, P
At3g47760.1 AtABCA5 ATATH4 872 O, P
At3g47770.1 AtABCA6 ATATH5 900 O, P
At3g47780.1 AtABCA7 ATATH6 935 O, P
At3g47790.1 AtABCA8 ATATH7 901 O, P
At5g61730.1 AtABCA9 ATATH11 940 M, P
At5g61740.1 AtABCA10 ATATH14 848 O, C
At5g61690.1 AtABCA11 ATATH15 954 M, P
At5g61700.1 AtABCA12 ATATH16 888 M, P
亚家族B MDR; DPL At2g36910.1 AtABCB1 PGP1 1 286 (TMD-NBD)2 O, P
(subfamily B) (PGP) At4g25960.1 AtABCB2 PGP2 1 273 S, P
At4g01820.1 AtABCB3 PGP3 1 229 O, V
At2g47000.1 AtABCB4 PGP4 1 286 O, P
At4g01830.1 AtABCB5 PGP5 1 230 O, P
At2g39480.1 AtABCB6 PGP6 1 407 O, Y
At5g46540.1 AtABCB7 PGP7 1 248 O, P
pseudogenee AtABCB8 1 241
At4g18050.1 AtABCB9 PGP9 1 281 O, P
At1g10680.1 AtABCB10 PGP10 1 227 O, P
At1g02520.1 AtABCB11 PGP11 1 278 O, P
At1g02530.1 AtABCB12 PGP12 1 273 O, P
At1g27940.1 AtABCB13 PGP13 1 245 O, P
At1g28010.1 AtABCB14 PGP14 1 247 O, P
At3g28345.1 AtABCB15 1 240 O, P
At3g28360.1 AtABCB16 PGP16 1 158 O, P
At3g28380.1 AtABCB17 PGP17 1 240 O, P
At3g28390.1 AtABCB18 PGP18 1 225 O, P
At3g28860.1 AtABCB19 PGP19 1 252 O, P
At3g55320.1 AtABCB20 PGP20 1 408 O, Y
At3g62150.1 AtABCB21 PGP21 1 292 O, P
At3g28415.1 AtABCB22 1 221 S, P
ATM; DPL At4g28630.1 AtABCB23 ATM1 678 TMD-NBD M, C
(HMT) At4g28620.1 AtABCB24 ATM2 680 M, C
At5g58270.1 AtABCB25 STA1 728 M, M
TAP; DPL At1g70610.1 AtABCB26 ATTAP1 700 TMD-NBD C, C
(TAP) At5g39040.1 AtABCB27 ATTAP2 644 O, E
At4g25450.1/2/3 AtABCB28_1/2/3 ATNAP8 714/618/545 M, C
DPL (LLP) At5g03910.1 AtABCB29 ATATH12 634 TMD-NBD C, C
亚家族C MRP; OAD At1g30400.1/2 AtABCC1_1/2 EST1 1 622/1 622 (TMD-NBD)2 O, P
(subfamily C) (MRP) At2g34660.1 AtABCC2 MRP2 1 623 O, Y
At3g13080.1/.2/.3 AtABCC3_1/_2/_3 MRP3 1 514/1 489/1 120 O, P
At2g47800.1 AtABCC4 EST3 1 516 O, P
At1g04120.1 AtABCC5 MRP5 1 514 S, P
At3g13090.1 AtABCC6 ATMRP8 1 466 S, P
At3g13100.1 AtABCC7 ATMRP7 1 493 S, P
At3g21250.1 AtABCC8 ATMRP6 1 294 C, P
朱璐等: 拟南芥ABC转运类蛋白家族的分子进化、表达模式和蛋白功能网络预测分析 1155
续表
基因家族 基因位点 系统学命名 别名 长度/aa 蛋白结构域 蛋白定位*
At3g60160.1 AtABCC9 ATMRP9 1 490 O, P
At3g59140.1 AtABCC10 ATMRP14 1 453 O, C
At1g30420.1 AtABCC11 ATMRP12 1 495 O, P
At1g30410.1 AtABCC12 ATMRP13 1 495 O, P
At2g07680.1 AtABCC13 ATMRP11 1 194 O, P
At3g62700.1 AtABCC14 ATMRP10 1 539 O, P
At3g60970.1 AtABCC15 ATMRP15 1 037 S, P
亚家族D PMP; FAE At4g39850.1 AtABCD1 PXA1 1 337 (TMD-NBD)2 M, P
(subfamily D) At1g54350.1 AtABCD2 706 TMD-NBD C, C
亚家族E RLI At3g13640.1 AtABCE1 ATRLI1 603 NBD-NBD O, Y
(subfamily E) At4g19210.1 AtABCE2 ATRLI2 605 O, Y
At4g30300.1 AtABCE3 ATNAP15 181 O, N
亚家族F GCN; ART At5g60790.1 AtABCF1 ATGCN1 595 NBD-NBD C, N
(subfamily F) (REG) At5g09930.1 AtABCF2 ATGCN2 678 C, C
At1g64550.1 AtABCF3 ATGCN3 715 O, Y
At3g54540.1 AtABCF4 ATGCN4 723 O, N
At5g64840.1 AtABCF5 ATGCN5 692 C, C
亚家族G WBC; EPD At2g39350.1 ABCG1 740 NBD-TMD O, P
(subfamily G) (WHITE) At2g37360.1 ABCG2 755
At2g28070.1 ABCG3 730 C, P
At4g25750.1 ABCG4 577 O, C
At2g13610.1 ABCG5 649 O, P
At5g13580.1 ABCG6 727 O, P
At2g01320.1/2/3/4 ABCG7_1/2/3/4 725/727/728/725 O, P
At5g52860.1 ABCG8 589 C, P
At4g27420.1 ABCG9 639 O, P
At1g53270.1 ABCG10 590 O, P
At1g17840.1 ABCG11 WBC11 703 O, P
At1g51500.1 ABCG12 WBC12 687 O, P
At1g51460.1 ABCG13 678 O, P
At1g31770.1 ABCG14 648 O, C
At3g21090.1 ABCG15 691 O, P
At3g55090.1 ABCG16 720 O, P
At3g55100.1 ABCG17 662 O, P
At3g55110.1 ABCG18 708 O, P
At3g55130.1 ABCG19 ATWBC19 725 O, P
At3g53510.1 ABCG20 739 O, P
At3g25620.1 ABCG21 467 C, V
At5g06530.1/2/3 ABCG22_1/2/3 751/751/691 O, P
At5g19410.1 ABCG23 624 C, C
At1g53390.1 ABCG24 1 109 O, C
At1g71960.1 ABCG25 662 O, P
At3g13220.1 ABCG26 685 O, P
At3g52310.1 ABCG27 737 C, P
At5g60740.1 ABCG28 1 061 S, P
PDR; EPD At3g16340.1 ABCG29 PDR1 1 416 NBD-TMD- C, P
(PDR) At4g15230.1 ABCG30 PDR2 1 326 NBD-TMD O, P
At2g29940.1 ABCG31 PDR3 1 426 O, P
At2g26910.1 ABCG32 PDR4 1 420 O, P
At2g37280.1 ABCG33 PDR5 1 413 O, P
At2g36380.1 ABCG34 PDR6 1 453 M, P
植物生理学报1156
续表
基因家族 基因位点 系统学命名 别名 长度/aa 蛋白结构域 蛋白定位*
At1g15210.1 ABCG35 PDR7 1 442 C, P
At1g59870.1 ABCG36 PEN3 1 469 C, P
At3g53480.1 ABCG37 PDR9 1 450 O, P
At3g30842.1 ABCG38 PDR10 1 406 O, P
At1g66950.1 ABCG39 PDR11 1 454 C, P
At1g15520.1 ABCG40 PDR12 1 423 C, P
At4g15215.1 ABCG41 PDR13 1 390 O, P
At4g15233.1 ABCG42 1 170 O, P
At4g15236.1 ABCG43 1 388 O, P
亚家族I CCM At1g63270.1 AtABCI1 ATNAP10 229 NBD M, C
(subfamily I) Atmg00110.1 AtABCI2 256 TMD
Atmg00900.1 AtABCI3 256
At2g07681.1 AtABCI4 256 M, P
At2g07771.2 AtABCI5_2 256 M, P
ISB At3g10670.1 AtABCI6 ATNAP7 338 NBD C, C
At1g32500.1 AtABCI7 ATNAP6 475 CYT C, C
At4g04770.1 AtABCI8 LAF6 557 C, C
At5g44316.1 AtABCI9 470 C, C
CBY (Y179) At4g33460.1 AtABCI10 EMB2751 271 NBD C, C
At5g14100.1 AtABCI11 ATNAP14 176 C, C
At3g21580.1/2 AtABCI12_1/2 205/384 TMD C, P
MKL; TGD At1g65410.1 AtABCI13 TGD3 345 NBD C, C
At1g19800.1/2/3 AtABCI14_1/2/3 TGD1 350/350/350 TMD O, P
At3g20320.1/2 AtABCI15_1/2 TGD2 381/282 SSA C, C
NO At2g37300.1 AtABCI16 128 TMD O, N
At1g67940.1 AtABCI17 ATNAP3 263 NBD O, G
At1g03900.1 AtABCI18 ATNAP4 272 O, N
NO (ADT) At1g03905.1 AtABCI19 290 NBD O, N
At5g02270.1 AtABCI20 ATNAP9 328 O, Y
At5g44110.1/2/3 AtABCI21_1/2/3 POP1 282/214/223 O, N
其他(others) At1g71330.1 ATNAP5 O, P
At2g37010.1 ATNAP12 S, P
　　*代表预测的蛋白双定位情况, C代表叶绿体, M代表线粒体, S代表分泌蛋白, P代表膜蛋白, O代表未知。NBD: 核苷酸结合结构域
(ATP结合结构域); TMD: 跨膜结构域; SSA: 基质结合蛋白; CYT: 与ABC结构域相互作用的保守的可溶性蛋白; CCM: 起源于细胞色素C
的家族; ISB: 起源于铁硫中心的家族; CBY: 类似于假设的钴摄取系统的家族; Y179: 类似于Methanococcus janaschii Y179蛋白的亚家族;
MKL: 类似于Mycobaterium leprea MKL蛋白的家族; TGO: 三半乳糖二酰基甘油; NO: 未知功能的蛋白, 表面上与已知的家族不相关; ADT:
未知功能的蛋白, 来自一个同构集群。
分为8个亚家族拟南芥(亚家族A~G、I)和其他两
个成员(ATNAP5和ATNAP12)。其中最大的亚家
族为亚家族G, 成员多达43个, 其次为亚家族B和
I。在各个亚家族之间ABC转运蛋白的结构域组织
形式多种多样; 通常, 全分子的ABC转运蛋白包含
2个NBD和2个TMD, 4个结构域结合在一起才能执
行转运功能。半分子的ABC转运蛋白通过形成二
聚体或多聚体来实现功能, 这种二聚体可为同二
聚体, 又可为异二聚体。通常情况下, NBD和TMD
存在于不同的多肽上的转运蛋白称为1/4分子转运
蛋白。亚家族G有15个全分子蛋白和28个半分子
蛋白; 亚家族B有22个全分子蛋白和7个半分子蛋
白; 亚家族I全为四分之一分子蛋白。拟南芥基因
组编码的131个ABC转运蛋白的长度分布范围广
泛, 蛋白分子大小从250到1 800个氨基酸不等。最
短的蛋白质为四分之一分子蛋白AtABCI16, 仅含
128个氨基酸, 而最长的则为全分子蛋白AtAB-
CA1_1, 含有多达1 882个氨基酸。
此外, 我们还通过蛋白定位预测发现极少数
的蛋白为分泌蛋白 , 大部分蛋白质定位于叶绿
朱璐等: 拟南芥ABC转运类蛋白家族的分子进化、表达模式和蛋白功能网络预测分析 1157
体、线粒体和膜蛋白上, 说明这些蛋白质与物质
的跨膜运输有关。为了进一步了解ABC转运蛋白
的生物学功能, 我们还通过GO功能分类进行富集
分析。结果(图1)表明, 在生物学过程中, 在获取的
128个基因GO中, ABC转运蛋白比较集中于各类物
质的运输功能(transport), 除此外, 还包括对药物反
应(response to drug)和生物刺激反应(response to
biotic stimulus)等等。总之, 各ABC转运蛋白之间
的特定区域的范围内氨基酸序列上虽有同源性,
但总体结构差异巨大, 这种差异可能与功能的差
异有关。
2 拟南芥ABC转运类蛋白在染色体分布及复制事件
为了确定ABC转运蛋白基因在染色体的分布
情况, 我们使用染色体图工具, 将预测的所有ABC
转运蛋白基因定位到5条染色体上的相应位置, 并
分析相应的基因家族连锁信息。结果(图2)表明,
129个基因家族成员(除两个位于线粒体基因上的
家族成员外)在拟南芥第1至5染色体上都有分布,
其中第1和3条染色体数目最多, 分别有31和40个
基因家族成员, 而第2、4和5染色体分布相比较少,
分别为20、18和20个基因(图2)。所有的数染色体
两臂上均有分布, 但从图2可以看出 , 拟南芥的
ABC转运蛋白基因在各个染色体上并非均匀分布,
某些区域的分布密度很大, 比如, 拟南芥3号染色
体有44个基因分布, 这44个基因均集中在5个较小
的区域范围内, 尤其下半部聚集较小的2个区域内
就聚集了25个基因, 而物理长度长于3号染色体的
5号染色体上半部总共也只分布7个基因。而且结
果还表明很多基因是以基因簇的方式存在, 尤其
是存在2个基因紧密连锁关系, 从图2中可以看出,
图1 拟南芥ABC转运蛋白GO生物学过程富集分析
Fig.1 Arabidopsis thaliana ABC transporter protein GO (Gene Ontology) biological process enrichment analysis
植物生理学报1158
至少有12个基因簇存在, 每个基因簇包括至少2个
基因是紧密连锁的, 尤其3号染色体的下半部分就
有7个ABCA家族的基因(At3g47730、At3g47740、
At3g47750、At3g47760、At3g47770、At3g47780
和At3g47790)紧密连锁, 说明他们在进化过程中有
可能起源同一片段复制和串联重复导致。
目前的研究表明, 拟南芥的进化过程中, 至少
发生了1次或3次多倍化事件, 大多数基因都有两
个甚至更多拷贝(Ermolaeva等2003)。因此, 确定
染色体同源片段是基因组学研究的一个重要方面,
有助于揭示基因组在历史上发生的多种多样的进
化事件。为进一步研究基因复制与拟南芥ABC转
运类基因进化的关系, 我们在了解染色体分布的
基础上, 又利用TAIR上已有的染色体片段信息, 对
比分析公共资源数据库Paralogous in Arabidopsis
thaliana基因组区域复制信息, 来寻找ABC转运类
基因可能的复制进化事件或基因来源信息。结果
(图2)表明, 在拟南芥ABC转运类131个基因中, 在
已知的DNA大片段复制区域找到15对ABC转运类
旁系同源基因(在图2中用虚线连接), 这些基因具
有序列同源性高特点, 且都分别处于已经发现的
基因簇聚区。其中12对ABC转运基因来源是发生
可能在较近年代(recent age)的复制事件过程中, 分
别是At1g02520与At4g01820, At1g03900与
图2 拟南芥ABC转运蛋白基因的染色体分布和基因复制示意图
Fig.2 The sketch maps of Arabidopsis ABC genes on different chromosomes and gene duplication
基因位点用短横表示, 基因簇聚区(连续基因)用方框表示, 虚线代表基因之间在进化过程中的可能复制关系。
朱璐等: 拟南芥ABC转运类蛋白家族的分子进化、表达模式和蛋白功能网络预测分析 1159
At5g44110, At1g30400与At2g34660, At1g51500与
At3g21090, At2g37280与At3g53480, At2g39350与
At3g55130, At2g39480与At3g55320, At2g47000与
At3g62150, At2g47800与At3g62700, At4g18050与
At5g46540, At4g25750与At5g52860, At5g09930与
At5g64840, 还有3对ABC转运基因来源是发生在
较早年代 ( o l d a g e )复制事件过程中 , 分别是
At1g02520与At2g47000, At1g15210与At3g16340,
At2g47000与At4g01830。因此, 通过对拟南芥
ABC转运类基因功能和进化关系复制的分析, 不
但说明拟南芥中ABC转运蛋白重复基因中的一部
分基因是来源于复制事件, 而且对植物染色体进
化和基因组的多倍化事件也有重要的借鉴作用。
3 拟南芥ABC转运类蛋白组织器官表达模式分析
同源基因或结构序列相近基因在不同组织器
官中的表达模式分析, 能为这些基因的生理生化
功能研究提供了重要信息。因此, 为了阐明拟南
芥ABC转运蛋白在植物生长发育过程中的功能,
本文利用生物信息学方法, 通过对拟南芥数据库
的芯片数据进行收集, 聚类分析拟南芥ABC转运
蛋白在各个组织器官和不同发育时期中的mRNA
丰度。除了其中9个基因(AtABCA8/At3g47790.1、
AtABCB8/pseudogenee、AtABCB22/At3g28415.1、
ABCG38/At3g30842.1、ABCG41/At4g15215.1、
ABCG42/At4g15233.1、ABCG43/At4g15236.1、
AtABCI1/At1g63270.1和AtABCI9/At5g44316.1)因
缺少芯片探针的原因, 没有收集到相应的表达谱
芯片数据外, 我们获取了其他122个基因在47个组
织器官和不同发育时期的基因表达数据。研究结
果(图3)首先表明 , 拟南芥122个ABC转运蛋白
mRNA在各个组织和时期中都有表达, 进一步证明
ABC转运蛋白是一类比较重要功能蛋白, 其可能
参与到植物生理发育的各个过程。
其次, 为了更加细致和全面的了解ABC转运
蛋白在不同组织部位以及发育时期的具体功能,
以及了解各个亚家族之间功能的异同, 我们又根
据这些基因在各个组织和发育过程中表达的差异
进行层次聚类分析, 结果(图3)可以把这8个亚家族
中的122个基因可以分成9个小组(I~IX), 每个小组
都是3至4个亚家族组成。在不同组织器官和发育
时期各个基因亚家族存在较大差异。
I组共计10个基因, 主要包含ABCG (21、29、
23和25这4个成员)、ABCB (1、16、20和6这4个
成员)以及ABCA (1.1和1.2这2个成员)三类家族,
主要表达特点是表达模式共性较为集中在茎节的
第二节点(图3, 37)高表达, 但他们之间也存在较大
差异, 比如, ABCG的4个成员还在茎节的第一节点
(图3, 3)特异性的较高表达, 而ABCB和ABCA这两
个家族在吸胀的种子(图3, 2)和衰老的叶片(图3,
33)中有特异性的较高表达, 说明这三个基因亚家
族存在共同参与的生理过程, 如茎节第二节点的
发育, 但也存在各自参与的不同组织和时期的发
育。
II组共计15个基因, 主要包含ABCG (9、14、
34、37、35、15、30和3这8个成员)、ABCB
(11、12、17、4和15这5个成员 )、ABCC6和
ABCF3四类家族, 主要表达特点是表达模式共性
较为集中在根(图3, 7和26)和吸胀的种子(图3, 2)
中。此外ABCB11和12还在拟南芥花器官15期的
心皮(图3, 16)和种子3期/果荚(图3, 39)中有较高水
平的表达, 说明这两个基因除了参与根的发育以
外, 可能还参与了种子形成的过程。
III组共计20个基因, 主要包含ABCI (10、
14.1、14.2、14.3、11、15.1、15.2、12.1、12.2、
6和7这11个成员)、ABCB (21、23、24、14和29
这5个成员 )、A B C G ( 3 6和2 4这2个成员 )、
ABCC13和ABCD2这五类家族, 主要表达特点是
表达模式共性较为集中在幼嫩的叶片(图3, 21)和
莲座叶(图3, 47)中。不过整体来看该亚组的基因
其表达范围非常广泛, 但表达量相对不高, 其表达
范围囊括了种子、叶片、根、花和果荚, 但是在
雄蕊中表达的基因很少, 说明此类基因可能主要
参与了拟南芥营养生长的整个过程, 对生殖生长
过程的参与较少。
IV组共计23个基因, 主要包含ABCC (1.1、
1.2、11、12、8、10、15、9、7、4和2这11个成
员)、ABCG (1、19、40、22.1、22.2、22.3和27这
7个成员)、ABCB (27和26这2个成员)、ABCI (17
和8这2个成员)和ABCF5这五类家族, 主要表达特
点是表达模式共性较为集中在花器官15期的萼片
(图 3 , 1 8 )和枯萎的叶片 (图 3 , 3 3 )中。此外
ABCG1、19、40和ABCC1.1、1.2在花器官15期
植物生理学报1160
图3 拟南芥ABC转运蛋白基因在组织器官表达模式的系统聚类
Fig.3 Hierarchical cluster display of expression profiles for Arabidopsis ABC genes in different tissues and/or organs
颜色标尺代表表达值以2为底的对数。1: 干种子; 2: 吸胀的种子(24 h); 3: 茎的第一节点; 4: 第12期花的雄蕊; 5: 茎叶; 6: 子叶; 7: 根; 8:
过渡期后到开花的整个莲座丛; 9: 第9期花; 10: 第10和11期花; 11: 第12期花; 12: 第15期花; 13: 第12期花的心皮; 14: 第12期花的花瓣; 15:
第12期花的萼片; 16: 第15期花的心皮; 17: 第15期花的花瓣; 18: 第15期花的萼片; 19: 第15期花的雄蕊; 20: 第15期花的花梗; 21: 叶1+2; 22:
7叶叶柄; 23: 7叶叶远侧半; 24: 7叶叶近端半; 25: 下胚轴; 26: 根; 27: 莲座叶2; 28: 莲座叶4; 29: 莲座叶6; 30: 莲座叶8; 31: 莲座叶10; 32: 莲
座叶12; 33: 衰老的叶片; 34: 茎尖花序; 35: 茎尖过渡; 36: 茎尖营养; 37: 茎节(第2节间); 38: 成熟的花粉粒; 39: 种子阶段3 w/果荚; 40: 种子
阶段4 w/果荚; 41: 种子阶段5 w/果荚; 42: 种子阶段6 w/果荚; 43: 种子阶段7 w/果荚; 44: 种子阶段8 w/果荚; 45: 种子阶段9 w/果荚; 46: 种子
阶段10 w/果荚; 47: 莲座叶。
的花瓣(图3, 17)中表达量较高, 大部分基因在花器
官12期的萼片(图3, 15)和茎叶(图3, 5)中也有所表
达。说明此类基因主要参与花瓣与叶片的发育。
V组共计8个基因 , 主要包含ABCG (12、
7.1、7.2、7.3、7.4和4这6个成员)、ABCB16和
ABCE1这三类家族, 主要表达特点是表达模式共
性较为集中在种子4期/果荚(图3, 40)和种子5期/果
荚(图3, 41)中, 随着种子的发育, 参与的基因逐渐
减少。此类基因的表达较为特异, 说明此类基因
主要参与种子(果荚)的发育。
VI组共计15个基因, 主要包括ABCG (32、
11、13、18、5和17这6个成员)、ABCB (13、2、
7和19这4个成员)、ABCI (16、21.1、21.2和21.3
这4个成员)和ABCA10这四类家族, 主要表达特点
朱璐等: 拟南芥ABC转运类蛋白家族的分子进化、表达模式和蛋白功能网络预测分析 1161
是表达模式共性较为集中在花器官12期的花瓣(图
3, 14)中, 此外一些基因也在心皮中有所表达, 说明
此类基因主要参与花器官发育的过程。
VII组共计19个基因, 主要包括ABCG (16、
26、6、8、31、9、20、2、10和23这10个成员)、
ABCI (19、2、3、4和5.2这5个成员)、ABCB (3和
5这2个成员)、ABCC5和ABCA6这五类家族, 主要
表达特点是表达模式共性较为集中在种子6~10期/
果荚(图3, 42~46)中, 说明此类基因参与了拟南芥
种子发育的6到10期, 对于种子的形成有重要的作
用。
VIII组共计16个基因, 主要包括ABCA (4、
5、12、11、9、3、7和2这8个成员)、ABCI (20和
18这2个成员 )、ABCB (9和10这2个成员 )、
ABCE3、ABCF2、ABCG28和NAP12这七类家族,
主要表达特点是表达模式共性主要集中在成熟的
花粉粒(图3, 38)中, 部分基因(ABCA11、12、9和
ABCI20)在花器官12期的花药(图3, 4)中表达量较
高。这说明此类基因主要参与拟南芥花粉粒的发
育过程。
IX组共计14个基因, 主要包括ABCB (28.1、
28.2、28.3和25这4个成员)、ABCC (14、3.1、3.2
和3.3这4个成员)、ABCF (1和4这2个成员)、
ABCE2、ABCD1、ABCI13和NAP5这七类家族,
主要表达特点是表达模式共性主要集中在干燥的
种子(图3, 1)中 , 此外在种子8-10期 /果荚(图3,
44~46)中也有所表达。这说明该类基因主要参与
了种子的发育, 尤其是成熟种子的形成。
综合以上基因表达模式和聚类分析说明: 拟
南芥ABC基因家族基因的表达在进化过程中已经
发生了显著的功能分化, 各个亚家族之间的表达
模式的存在较大的差异, 存在的功能多样性, 但并
不是完全随机分布, 仍具有一定的规律性, 说明彼
此之间功能的具有一定的协调性和严格调控。
4 拟南芥ABC转运类蛋白在花药发育中的功能分析
为进一步说明ABC转运蛋白在正常生理过程
中存在的功能多样性和协调性, 我们选择了花药
发育过程这一代谢特殊过程来分析ABC转运蛋白
的功能。花药形成是一个十分复杂的过程, 其中
花粉囊壁的最内一层细胞绒毡层的功能和作用至
关重要。绒毡层细胞具有高度的代谢活性, 含有
较多的RNA、蛋白质和酶、丰富的油脂、类胡萝
卜素和孢粉素等物质。这些物质对花粉粒的发育
形成起着重要的营养和调节作用, 为花粉壁的建
成提供前体物质。而绒毡层细胞作为一种分泌型
细胞, 其合成的物质需要从细胞中运输出来, 才能
分泌到花药腔内从而发挥作用(Zhang等2011)。绒
毡层细胞的质膜上分布着各种跨膜蛋白通道, 保
证相应的底物能够运输出来。目前已经有研究表
明 , A B C转运蛋白参与这个运输过程 , 比如
ABCG26/WBC27可能参与孢粉素前体的运输 ,
abcg26突变体无法形成可育的花粉粒, 花粉外壁在
后期降解(Choi等2011; Quilichini等2010; Xu等
2010)。
我们通过提取花药发育的各个时期的表达谱
芯片和聚类分析, 来了解和分析ABC转运蛋白在
花药发育中的功能;主要选取绒毡层代谢物质形
成、发育和功能最主要的时期, 对应到花的发育
时期分明别是: S9 (早期)、S10/11和S12 (中期)、
S15 (后期)以及特异性器官S12-S (中期的雄蕊)和
MP (成熟的花粉粒)。研究结果(图4)表明, 根据
ABC转运蛋白基因在不同时期和组织之间的特异
性表达情况, 主要可以分为6大类:
第一类(图4-A)中包含11个基因, 主要包括
ABCG (9、39)、ABCA (10)、ABCB (7、2611、
12和15)、ABCI (12.1和12.2)和ABCC6, 部分此类
基因主要在成熟的花粉粒中和S10/11期表达, 表达
特异性不强, 且表达量并不高, 说明该类基因主要
可能是协助作用, 主要可能参与了花粉粒的中期
和后期的成熟过程。第二类(图4-B)中包含50个基
因, 此类基因主要在S9和S10/11期表达, 部分在S15
期表达, 也具有表达特异性不强和表达量也不高
的特点, 但在成熟花粉粒中没有任何表达(与第一
类的主要区别), 说明此类基因也是协助作用, 但主
要的功能是花发育的早前。第三类(图4-C)中包含
33个基因, 主要包括ABCA、ABCB和ABCG类, 它
们的共同特点是都在雄蕊和成熟花粉粒中表达,
且大部分基因表达量较高, 约一半的基因在雄蕊
中也有所表达, 说明此类基因参与了拟南芥花药
的发育与成熟花粉粒的形成。第四类(图4-D)中仅
包含8个基因, 但此类基因的表达主要集中在S9期,
且具有较高表达量以及较特异的特性, 而在在雄
植物生理学报1162
蕊和成熟花粉粒中基本没有表达, 说明此类基因
可能不参与拟南芥花药的发育。第五类(图4-E)中
包含22个基因, 主要包括ABCB、ABCC和ABCG
类, 此类基因大部分主要在花药中表达, 但是在成
熟的花粉粒中没有表达(与第三类的主要区别), 说
明此类基因参与了拟南芥花药的发育。第六类(图
4-F)中包含16个基因, 主要包括ABCC和ABCG类
基因, 非常特异和较高表达在S15期, 此类基因在
花药中没有表达, 只有两个基因在成熟的花粉粒
中表达量较高, 说明此类基因可能不参与拟南芥
花药的发育。综合以上所述, 大部分ABC转运蛋
白在花药不同的发育时期和组织部位都有表达变
化, 说明功能的广谱性, 但又有各自的时间差异和
组织表达的特异性, 说明彼此功能分工和协调具
有严格的调控。
5 拟南芥ABC半分子转运类蛋白相互作用网络分
析(蛋白互作图谱与关键基因)
在前面的基因信息分析中, 我们知道在ABC
蛋白家族里属于ABC半分子转运蛋白的有5个亚
家族: PMP (2个成员)、WBC (29个成员)、ATH
(16个成员)、ATM (3个成员)和TAP (2个成员); 作
为“半转运蛋白”的ABC蛋白主要是按照反方向排
列的(NBF)-(TMD)型转运蛋白, 它们必须形成同源
或异源二聚体(NBF-TMD)-(NBF-TMD)结构来发
挥功能。每个TMD结构由6个跨膜α螺旋(TMHs)
组成, 两个TMD形成一个运输物质的通道结构。
因此, 为了进一步了解和分析这些ABC半分子转
运蛋白可能存在的相互关系, 我们进一步对ABC
转运蛋白之间进行蛋白相互作用(PPI)分析, 结果
(图5)表明, 对于整个ABC转运蛋白家族来说, 共获
得719节点和1 015个边线, 其中, 主要节点中心基
因大部分属于ABCG、ABCA、ABCB和ABCC这
4个亚家族, 分别有14、3、16和7个基因节点。从
蛋白互作图谱上可以看出, 通过预测发现ABCG11
与ABCG12有相互作用, 而已经发表的文献也证实
了ABCG11确实可以与ABCG12形成异源二聚体
图4 拟南芥ABC基因在花药发育过程中的系统聚类
Fig.4 Hierarchical cluster display of expression profiles for Arabidopsis ABC genes during the anther devolopment
颜色标尺代表表达值以2为底的对数。
朱璐等: 拟南芥ABC转运类蛋白家族的分子进化、表达模式和蛋白功能网络预测分析 1163
从而发挥功能(McFarlane等2010), 这说明我们的
预测具有一定的可信度, 可为今后的蛋白互作研
究提供方向。我们可以看出, 异源二聚体的形成,
不但存在于各个亚族内部之间(作用位点较少, 图
1), 而且更多的是存在于各个亚族之间(图5); 比如,
ABCG亚家族的ABCG42不但与同属亚家族的
ABCG41相互作用, 而且还与ABCB25亚家族的存
在相互作用, 从而增加了功能的多样性以及控制
转运底物协助的准确性。进一步结合这些基因的
时空分析(表达谱数据), 就能全面的分析和预测这
些半分子之间存在相互作用的时间和部位, 从而
更好的解释这些基因的关系和可能的生物功能。
讨　　论
很多研究已经表明, 在进化中由于基因组复
制存在, 植物基因家族成员的重复数目常常多于
相应的动物家族, 这些基因众多拷贝使得植物具
有适应环境变化的遗传多样性(Xu等2012)。ABC
转运蛋白基因也不例外, 拟南芥和水稻基因组各
编码130个以上的ABC蛋白, 两倍于人类、果蝇和
线虫(50~70个成员), 约占转运蛋白开放阅读框总
数的1/6, 反映了该家族在植物生长发育过程中的
重要作用。ABC转运蛋白广泛存在于各类植物中,
参与了植物生长发育的各个过程, 但是对于植物
中众多的ABC转运蛋白基因数目, 目前已经报道
的基因功能研究并不多见。尽管植物的ABC转运
蛋白结构的相似性以及NBD的高度保守性, 不同
亚簇ABC转运蛋白的作用机制具有一定的相似性,
但生物学过程中运输底物的运输需要很多转运蛋
白的参与, 对于每种底物所对应的一种或几种转
运蛋白, 从而造成ABC转运蛋白的功能多样性、
不确定性和复杂性; 目前已知植物体内ABC转运
蛋白及其底物的研究主要包括: 拟南芥ABCG12
(CER5)能够从表皮细胞转运超长链脂肪酸形成蜡
质前体, 如果破坏其活性会造成蜡质的非正常积
累。在abcg12 (cer5)突变体中, 其茎表面的蜡质含
量减少, 但是在abcg12中表皮的蜡质总量并没有减
少, 说明突变体只是破坏了蜡质单体的运输, 并没
有影响到蜡质的合成(Pighin等2004)。ABCG11
(DSO)能够运输长链和超长链脂肪酸(如脂质和蜡
质的前体物质), abcg11 (dso)表现出表皮蜡质的减
少, 并且没有正常形态的表皮细胞和气孔。dso蜡
图5 拟南芥ABC半分子转运类蛋白的相互作用预测分析
Fig.5 The Arabidopsis ABC half-transporter protein-protein interaction (PPI) analysis
植物生理学报1164
质与角质组成发生变化, 说明ABCG11运输蜡质和
角质单体, 对形成表皮尤为重要(Bird等2007; Pan-
ikashvili等2007; Ukitsu等2007)。ABCG19可以使
烟草具有卡那抗性(Mentewab和Stewart 2005)。最
近, 人们发现ABCG25形成同源二聚体并且可以介
导脱落酸(ABA)的运输, 从而使植物可以抵御干旱
的环境(Kang等2010; Kuromori等2010)。ABCG26/
WBC27可能参与孢粉素前体的运输, abcg26突变
体无法形成可育的花粉粒, 花粉外壁在后期降解,
并且绒毡层内壁没有正常乌氏体的累积(Choi等
2011; Quilichini等2010)。此外, 棉花中的ABCG1
(GhWBC1)和烟草中的ABCG1 (NtWBC1)也被鉴
定出来。GhWBC1推测与纤维素的伸长有关, 因
为ghwbc1突变体中的纤维素显著变短, GhWBC1在
拟南芥中过量表达会造成长角果缩短 ( Z h u等
2003)。NtWBC1在柱头特异表达, 说明可能与生殖
过程相关, 但是还需要更深一步的研究(Otsu等
2004)。一些植物ABCG转运蛋白的底物和动物的
某些ABCG蛋白一样具有亲脂性。在人体内 ,
ABCG1可以运输胆固醇和磷脂质 (Klucken等
2000), ABCG2则可以运输类固醇(Janvilisri等
2003)。而且, 人类的ABCG5和ABCG8可以形成异
源二聚体从而运输植物甾醇(Berge等2000)。在植
物的表面覆盖着脂质从而形成一层保护膜使植物
抵抗外界干旱, 外孢壁(花粉外壁)是其中的一种。
最外层的表皮细胞覆盖了植物花药腔内所有的器
官, 并且使植物抵抗各种环境的侵害。这层壁的
细胞可以合成形成表面角质的组分。角质是不同
的C16-18脂肪酸组成的聚合物(Kolattukudy 2001)。
在大多数开花植物中, 角质中中链羟基化脂肪酸
占优势, 这被认为对于形成延长二维聚合物单层
是必要的(Heredia-Guerrero等2009)。因此, 这些底
物的运输需要很多转运蛋白的参与, 对于每种底
物所对应的一种或几种转运蛋白将成为未来的研
究重点。
研究模式生物拟南芥的ABC转运蛋白对于揭
示此类蛋白在植物体内的生理过程的分子机制是
十分具有借鉴意义和参考价值的。本研究中, 系
统的分析和介绍了拟南芥ABC转运蛋白主要有8
个亚家族拟南芥(亚家族A-G、I)和其他两个成员
(ATNAP5和ATNAP12)组成, 获知ABC转运蛋白的
结构域组织形式多种多样, 在各个亚家族之间存
在着差异。其成员既包括跨膜的转运蛋白也包括
不含跨膜结构域的可溶性蛋白, 在物质的跨膜运
输以及蛋白质翻译的调控中发挥重要作用。此外,
ABC转运蛋白之间的氨基酸序列上虽有同源性,
但结构差异巨大, 这说明这些基因在复制以后, 结
构域发生变化, 对基因产物的功能产生影响, 逐渐
形成一些特有的功能, 这对蛋白质组多样性有重
要意义。
基因复制(gene duplication)是基因家族扩张过
程中的重要事件, 复制的基因为新基因的产生和
功能分化提供了物质前提。基因复制发生主要包
括: 片段复制(segmental duplication)、串联重复
(tandem repeat)和逆转录转座(retro transposition)事
件这3种机制。在本研究中, ABC转运蛋白在拟南
芥基因组找到了至少15对片段复制现象, 分别是B
家族的At1g02520与At4g01820, At2g39480与
At3g55320, At2g47000与At3g62150, At4g18050与
At5g46540, At1g02520与At2g47000, At2g47000与
At4g01830; C家族的At1g30400与At2g34660,
At2g47800与At3g62700; F家族的At5g09930与
At5g64840; G家族的At1g51500与At3g21090,
At2g37280与At3g53480, At2g39350与At3g55130,
At4g25750与At5g52860, At1g15210与At3g16340; I
家族的At1g03900与At5g44110。其中以B家族的
片段复制事件最多。这说明这些基因在复制以后,
结构域发生变化, 对基因产物的功能产生影响, 逐
渐形成一些特有的功能, 这对蛋白质组多样性有
重要意义。因此, 拟南芥ABC转运类基因功能和
进化复制研究, 对拟南芥染色体进化和基因组的
多倍化事件有重要的借鉴作用。
对同一家族基因在不同组织器官中的表达模
式分析, 能为这类基因的生理生化功能研究提供
重要信息。本研究利用生物信息学方法, 对共拟
南芥数据库的芯片数据进行收集和聚类分析, 分
析131个ABC转运基因在47个组织器官和不同发
育时期中的基因表达情况, 结果表明, 在拟南芥中
任何特定的生理过程都至少需要一个ABC转运蛋
白(图3), 大部分ABC转运蛋白在不同的发育时期
和组织部位都有表达变化。为进一步说明ABC 转
运蛋白在正常生理过程中可能存在的功能的多样
朱璐等: 拟南芥ABC转运类蛋白家族的分子进化、表达模式和蛋白功能网络预测分析 1165
性和协调性, 我们重点分析了代谢过程比较旺盛
的花药发育过程来分析ABC转运蛋白的表达变化,
结果同样表明, 拟南芥ABC转运蛋白家族基因的
表达在进化过程中已经发生了显著的功能分化,
各个亚家族之间的表达模式的存在较大的差异,
但并不是完全随机分布, 仍具有一定的规律性, 说
明拟南芥ABC转运蛋白功能的广谱性, 但又有各
自的时间差异和组织表达的特异性, 说明彼此功
能分工和协调不同。
蛋白质相互作用网络系统生物学的一个重要
方面。了解植物蛋白质相互作用网络和相互作用
组将提供理解调控植物发育、生理和病理过程的
关键信息。且在ABC蛋白家族里属于ABC半分子
转运蛋白必须形成同源或异源二聚体才能相互作
用。本研究利用拟南芥ABC转运蛋白互作图谱,
我们系统的整理分类ABC转运蛋白的关系, 从而
可以用于揭示协同作用蛋白的系统网络。ABC转
运蛋白利用同源或异源二聚体的相互作用, 从而
增加了功能的多样性以及控制转运底物协助的准
确性。进一步结合基因的表达谱数据和蛋白相互
作用, 就能全面的分析和预测这些半分子之间存
在相互作用的时间和部位, 从而更好的解释这些
基因的关系和可能的生物功能。
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