全 文 ：拟南芥 PHD-finger 蛋白家族的全基因组分析
?
张 帆 , 杨仲南 , 张 森??
(上海师范大学生命与环境科学学院 , 上海 200234)
摘要 : PHD-finger蛋白是一类广泛存在于真核生物中 , 在基因转录和染色质状态调控方面有重要作用的锌
指蛋白。目前在动物中对 PHD-finger蛋白的结构和功能方面的研究较为广泛和深入 , 而在植物中仅有少数
PHD-finger蛋白的功能被阐明。通过 SMART 和 Pfam等数据库分析 , 我们发现拟南芥中共有 70 个 PHD-finger
蛋白 , 其中大部分 PHD-finger蛋白的功能未知。本文通过生物信息学分析获得拟南芥 PHD-finger 家族较为
全面的信息 , 包括基因结构、染色体定位、基因表达、蛋白结构域、系统进化关系等 , 为深入研究 PHD-
finger家族蛋白的结构与功能提供了参考。
关键词 : PHD-finger; 拟南芥 ; 基因家族
中图分类号 : Q 943.2 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 - 2700 (2009) 03 - 227 - 12
Genome-wide Analysis of PHD-finger Protein
Family in Arabidopsis thaliana
ZHANG Fan, YANG Zhong-Nan, ZHANG Sen**
( College of Lifeand Environment Sciences, Shanghai Normal University, Shanghai 200234 , China)
Abstract: PHD-finger proteins were found universally in eukaryotes and known as key players in regulating chromatin or
transcription . In animals, many PHD-finger proteins had been well studied on structure and function . Compared to ani-
mals, only afewof plant PHD-finger proteins had been characterized functionally . By both SMART and Pfamsearches, 70
members of the PHD-finger family were identified in Arabidopsis thaliana . Most of the PHD-finger proteins in Arabidopsis
thaliana were functionally unknown . A complete overview of this family by bioinformatic approach were presented in this
paper, includingthegene structure, genelocalization in genome, geneexpression, proteinmotif organization, and phylo-
genetic relationship of each family member . These results should provide useful information for the further structural and
functional studies of PHD-finger proteins .
Key words: PHD-finger; Arabidopsis thaliana; Gene family
锌指蛋白是一类具有“指状”结构域的蛋
白 , 在真核生物中数量较多 , 分布广泛 , 蛋白中
的“指状”结构域富含半胱氨酸或组氨酸 , 保守
的半胱氨酸残基和组氨酸残基通过结合锌离子以
稳定整个结构域正常的空间结构 , 根据保守半胱
氨酸残基及组氨酸残基的排列特征人们已经划出
RING, LIM , PHD 等类型 (Talatsuji , 1998)。PHD-
finger蛋白是真核生物中较为常见的一类具有一
个或几个 PHD-finger 结构域的锌指蛋白 , PHD-
finger结构域由约 60 个氨基酸组成 , 具有 Cys4-
His-Cys3 锌 结 合 基 序 特征 ( Kaadige and Ayer,
2006) , 半胱氨酸残基之间以及半胱氨酸与组氨
酸之间的碱基数是相对保守的 ( Bienz, 2006 ) ,
且最后一对半胱氨酸前的第 2 个氨基酸残基通常
云 南 植 物 研 究 2009 , 31 (3) : 227～238
Acta Botanica Yunnanica DOI : 10 .3724?SP. J . 1143 .2009.09006
?
?? ?通讯作者 : Author for correspondence; E-mail : senzhang@ shnu. edu. cn
收稿日期 : 2009 - 01 - 09 , 2009 - 03 - 20 接受发表
作者简介 : 张帆 ( 1982 - ) 男 , 在读硕士研究生 , 主要从事植物基因功能研究工作。 ?
基金项目 : 国家自然科学基金项目 (30671127) , 上海师范大学科研项目 (sk200827 )
为色氨酸等芳香族氨基酸 (Aasland 等 , 1995 )。
PHD-finger的三维结构大致相同 , 为球状结构域
(globular domain) (Nakamura等 , 2007 ) , 第 1、2、
6 个半胱氨酸残基及组氨酸残基与一个锌离子结
合 , 而第 3、4、7、8 个半胱氨酸残基与另一个
锌离子结合 , 并在第 2 个和第 3 个半胱氨酸之间
以及第 6 个和第 7 个半胱氨酸之间各形成一个环
(Loop) 结构 (Townsley等 , 2004 )。
自从 Schindler 等最早在拟南芥的 HAT3 .1 蛋
白和玉米的 Zmhox1a蛋白中发现 PHD-finger 结构
域之后 , 越来越多的 PHD-finger 蛋白被发现存在
于包括酵母、果蝇、人等在内的众多真核生物
中 , 如 : 酵母的 YNG1、NTO1、 PHO23 ( Martin
等 , 2006 ) 等蛋白 ; 果蝇的 ASH1 ( Papoulas 等 ,
1998)、dMi-2 ( Kehle 等 , 1998 ) 等蛋白 ; 人的
ATRX ( Gibbons 等 , 1997 ) 、CBP ( Ogryzko 等 ,
1996) 等蛋白。在对该家族蛋白的功能研究中 ,
人们发现很多 PHD-finger 蛋白借助 PHD-finger 结
构域和核小体的组蛋白结合 , 从而调节染色质状
态 , 如: 酵母 YNG 家族 的蛋白 Yng1、Yng2 和
PHO23 的 PHD结构域都具有很强的 H3K4me2?3 结
合活性 (Shi 等 , 2007) , 人的 BPTF ( Wysocka等 ,
2006) 等同样也和 H3K4me2?3 结合 , 而 BHC80 蛋
白的 PHD-finger 结构域则特异识别结合无甲基化
的 H3K4 (即 H3K4me0) (Lan等 , 2007) , 人的 ISWI?
SNF-染色质重构复合物 ( ISWI?SNF-chromatin re-
modeling complex) 的一个亚单位 ACF1 借助 PHD-
finger结构域结合到 4 个核心组蛋白的中心区域 ,
并增加 ISWI 引起的核小体滑行的效率 ( Eberharter
等 , 2004) 等。也有的 PHD-finger 蛋白借助 PHD-
finger结构域结合组蛋白以外的蛋白亚基 , 如果蝇
的转录激活蛋白 Pygopus的 PHD-finger结构域结合
Legless?BCL9 (Kramps等 , 2002) , 人的转录抑制蛋
白 KAP-1 的 PHD-finger 结构域结合 Mi-2α亚基的
一个异构体 (Schultz等 , 2001) 等。
在拟南芥的 PHD-finger 蛋白的研究中 , 现已
发现甲基化胞嘧啶结合蛋白 VIM1 等能与组蛋白
结合 , 参与染色质状态的调节 ( Woo 等 , 2007 ) ;
Trithorax同源蛋白 ATX1 和 ATX2 等具有组蛋白的
甲基转移酶活性 , 能调节某些基因的转录 (Saleh
等 , 2008) ; 花粉和绒毡层发育的相关蛋白 MS1 ,
可能调控小孢子生物合成中的某些基因的转录
(Yang等 , 2007) ; 小孢子母细胞减数分裂相关基
因 MMD1 , 可能调控减数分裂过程中相关基因的
转录 (Yang等 , 2003) 等。然而 , 目前的研究仅
阐明了少数拟南芥 PHD-finger 蛋白的功能 , 大多
数拟南芥 PHD-finger蛋白的功能仍不知晓。为了
更加深入的了解拟南芥 PHD-finger 家族蛋白的结
构和功能 , 对这一家族成员进行确定和全面分析
将很有意义。冯英等 ( 2004) 曾从拟南芥基因组
中鉴定出 45 个 PHD-finger 蛋白基因 , 根据蛋白
包含的 PHD-finger结构域数将其分成 2 组 , 并对
拟南芥和水稻中的 PHD-finger 蛋白进行了序列比
对及系 统 进 化 分 析。但 我 们 的 研 究 发 现 从
SMART 和 Pfam数据库中得到的拟南芥 PHD-finger
蛋白不完全一致 , 并且两个数据库中的信息与冯
英等人的结果也存在较大差异。为更加全面的了
解拟南芥中 PHD-finger蛋白的信息 , 我们提取了
SMART 和 Pfam数据库中一致的蛋白序列 , 并对
这些序列进行筛选 , 最终鉴定到 70 个非冗余的
拟南芥 PHD-finger家族成员 , 并对这些成员做了
蛋白序列比对、进化树构建 , 分析了这些成员的
基因结构、表达、染色体定位等 , 为深入了解
PHD-finger 蛋白家族的进化关系及功能研究提供
参考。
1 材料与方法
1 .1 拟南芥中 PHD-finger 蛋白序列数据获得
从 SMART 数据库 ( http:?smart.embl-heidelberg.de?) 中
搜索获得拟南芥中非冗余的所有可能的 PHD-finger 结构域序
列 , 利用 Pfam结构域分析工具 ( http:?pfam.sanger.ac.uk?
search? tab= searchDomainBlock) 对得到的这些 PHD 结构域
序列进行进一步鉴定 , 得到候选的 PHD-finger 结构域序列 ,
再根据 Aasland 等人推测的 PHD-finger 共有序列特征
(Bienz, 2006) 对候选序列进行了进一步的筛选 , 获得最
终的 PHD-finger结构域序列。通过 BLASTp的方法我们在
TAIR ( http:?www. arabidopsis.org?) 中找到 PHD-finger 结
构域对应的蛋白编码基因的完整信息 , 包括编码基因的
位置、结构、大小及 PHD-finger结构域处内含子分布等。
1 .2 结构域序列分析及进化树构建
利用 ClustalX1 .83 分别对预测的 PHD-finger 结构域的
氨基酸序列和 PHD-finger 蛋白的氨基酸序列做多序列比
对 , 对比中使用默认参数 , 并对比对结果做了手工调
整。利用 BOXSHADE ( http:??www. ch. embnet.org?software?
BOX— form. Html ) 突出保守或相似的氨基酸残基的位置。
822 云 南 植 物 研 究 31 卷
根据结构域序列比对结果 , 利用 ClustalX1.83 分别构建拟
南芥 PHD-finger结构域序列和 PHD-finger蛋白全序列的无
根系统进化树。系统进化树的构建采用邻接法 ( neigh-
bor-joining) , 自举值 ( bootstrap) 取 1000 次重复。
1 .3 基因在染色体上的位置及倍增关系分析
利用 TAIR 网站的染色体图工具 ( Chromosome Map
Tool ) 作染色体图 , 将预测的所有 PHD-finger蛋白基因定
位到 5 条染色体上的相应位置 , 对于染色体图工具不能
识别的 At1g32810 和 At2g25170 两个基因 , 按照 TIGR ( ht-
tp:?www. tigr.org?tdb?e2k1?ath1?LocusNameSearch. shtml ) 提
供的基因序列位置信息手工将其定位到染色体上相应位
置。同时利用“Paralogous in Arabidopsis thaliana” ( http:?
wolfe.gen. tcd. ie?athal?dup) 分析拟南芥 PHD-finger 家族成
员中位于基因组倍增片段上的基因。
1 .4 基因结构分析
首先利用 MEME (MultipleEmforMotif Elicitation) 对拟
南芥 PHD-finger 家族的 70 个成员做了全面分析 , 了解不
同成员之间的共有基序。再利用 SMART 以及 Pfam等分析
工具对这 70 个蛋白中已知的结构域进行分析和注释。
1 .5 基因的表达分析
利用 MPSS 数据库 ( http:??mpss. udel . edu?at?) 和 NC-
BI 的 EST数据库分析 PHD-finger 蛋白基因的表达 , 主要
分析在花序、果荚、叶子和根中的表达情况。对于两个
数据库中不一致的信息 , 我们假设两个数据库中的表达
信息都有效 , 将二者结果进行了整合 , 并参考了 Gene-
vestigator ( https:?www.genevestigator. ethz. ch?gv?index. jsp )
中的表达数据。
2 结果与讨论
2 .1 拟南芥中 PHD-finger 蛋白的确定
为获得拟南芥中所有 PHD-finger 蛋白的信
息 , 我们先从 SMART 中找出了拟南芥中所有预
测的 PHD-finger结构域的序列 , 共 217 个 , 其中
可能包括了错误的和冗余的部分 ( Bienz, 2006 )。
为得到更为可靠的结果 , 我们利用 Pfam中结构
域识别工具对这 217 个结构域序列做了进一步分
析 , 得到 88 个候选 PHD-finger 结构域的序列。我
们又根据 Aasland 等 (1995) 提出的 PHD-finger 结
构域的共有序列特征对候选序列做了进一步的筛
选 , 发现其中 84 个结构域序列均为典型的 PHD-
finger结构域 , 这 84 个 PHD-finger结构域分属 70
个基因 , 其中包括了 MMD1、MS1、VIM1 等 24
个已知基因。这 70 个基因编码的蛋白的长度从
234 - 2242 个氨基酸不等 , 有 14 个基因编码的蛋
白拥有 2 个 PHD-finger 结构域 ( 表 1 )。
2 .2 拟南芥 PHD-finger 蛋白系统进化分析
为了了解拟南芥中 PHD-finger 蛋白间的进化
关系 , 我们用 ClustalX1 .83 对 70 个 PHD-finger 蛋白
的全序列做了比对 , 然后根据序列比对结果构建
了 NJ ( Neighbor-Joining) 系 统 进 化树 , 自 举 值
(bootstrap) 设为 1000 次重复 , 用于检测系统进化
树各部分的置信度。结果显示拟南芥 PHD-finger
家族进化树中存在 17 个有较高置信度的进化分枝
(自举值 > 900) , 根据这一结果我们从 PHD-finger
家族成员中分离出 17 个主要的亚家族 (命名从 A
到 Q) (图 1) , 但由于树的其它部分节点处自举值
较低 , 仍有 15 个成员不能划分到任何亚家族。
表 1 拟南芥 PHD-finger 家族成员
Table 1 Members of Arabidopsis PHD-finger family
位点
Locus
别名
Other names
结构域数 a
Domain number
5 9′端 ( bp) b
5′End
3 ?′端 ( bp)c
3′End
蛋白长度 ( Aa)
Protein length
At1 ?g05380 1 1 ), 576 , 862 1 , 582 , 613 1138
At1 ?g05830 ATX2 ?1 1 ), 754 , 243 1 , 761 , 816 1056
At1 ?g14510 1 4 ), 964 , 423 4 , 961 , 881 252
At1 ?g14770 1 5 ), 088 , 841 5 , 086 , 621 429
At1 ?g32810 1 11 ), 881 , 790 11 , 885 , 823 1068
At1 ?g33420 1 12 ), 123 , 556 12 , 120 , 866 697
At1 ?g43770 1 16 ), 550 , 881 16 , 552 , 991 431
At1 ?g50620 1 18 ), 752 , 205 18 , 755 , 006 629
At1 ?g54390 1 20 ), 310 , 691 20 , 308 , 234 328
At1 ?g57800 VIM5 ?1 21 ), 415 , 948 21 , 412 , 288 660
At1 ?g57820 VIM1 ?1 21 ), 421 , 611 21 , 417 , 835 645
At1 ?g63490 1 23 ), 555 , 695 23 , 548 , 321 1116
At1 ?g66040 VIM4 ?1 24 ), 590 , 344 24 , 587 , 483 622
At1 ?g66050 VIM2 ?1 24 ), 593 , 150 24 , 596 , 410 623
At1 ?g66170 MMD1 ?1 24 ), 645 , 157 24 , 642 , 348 704
9223 期 张 帆等 : 拟南芥 PHD-finger蛋白家族的全基因组分析
续表 1
位点
Locus
别名
Other names
结构域数 a
Domain number
5 9′端 ( bp) b
5′End
3 ?′端 ( bp)c
3′End
蛋白长度 ( Aa)
Protein length
At1 ?g68030 1 25 ), 505 , 207 25 , 504 , 041 314
At1 ?g77250 2 29 ), 028 , 368 29 , 025 , 159 522
At1 ?g77800 1 29 ), 258 , 290 29 , 265 , 511 1423
At1 ?g79350 1 29 ), 858 , 307 29 , 849 , 548 1299
At2 ?g01810 1 347 , 536 350 b, 178 697
At2 ?g02470 1 652 , 579 654 b, 914 256
At2 ?g19260 1 8 ), 363 , 223 8 , 367 , 251 631
At2 ?g25170 CHR6 , PKL 1 10 ), 721 , 485 10 , 731 , 065 1384
At2 ?g27980 1 11 ), 926 , 818 11 , 920 , 706 1037
At2 ?g31650 ATX1 ?1 13 ), 469 , 258 13 , 462 , 349 1062
At2 ?g36720 2 15 ), 400 , 150 15 , 406 , 497 1007
At2 ?g37520 2 15 ), 756 , 866 15 , 751 , 847 854
At3 ?g01460 MBD9 ?2 173 , 323 182 b, 461 2176
At3 ?g02890 1 641 , 050 645 b, 310 963
At3 ?g05670 1 1 ), 653 , 270 1 , 657 , 165 883
At3 ?g07780 OBERON1 ^1 2 ), 484 , 475 2 , 487 , 030 566
At3 ?g08020 2 2 ), 561 , 808 2 , 557 , 443 779
At3 ?g11200 1 3 ), 510 , 633 3 , 508 , 048 246
At3 ?g14740 1 4 ), 953 , 430 4 , 952 , 011 343
At3 ?g14980 2 5 ), 044 , 818 5 , 039 , 938 1189
At3 ?g19510 HAT3 .1 1 6 ), 766 , 570 6 , 762 , 770 723
At3 ?g20280 1 7 ), 071 , 199 7 , 074 , 647 743
At3 ?g24010 1 8 ), 678 , 227 8 , 675 , 965 234
At3 ?g42790 1 14 ), 890 , 769 14 , 888 , 946 250
At3 ?g52100 2 19 ), 330 , 321 19 , 333 , 751 696
At3 ?g53680 1 19 ), 908 , 390 19 , 903 , 841 839
At3 ?g61740 2 22 ), 867 , 947 22 , 861 , 812 1018
At4 ?g10600 1 6 ), 548 , 860 6 , 547 , 782 237
At4 ?g12620 ATORC1 +B 1 7 ), 462 , 250 7 , 459 , 643 813
At4 ?g14700 ATORC1 )A 1 8 , 422 , 226 8 , 424 , 755 809
At4 ?g22140 1 11 ), 730 , 521 11 , 727 , 738 234
At4 ?g27910 2 13 ), 894 , 700 13 , 900 , 480 1027
At4 ?g29940 PRHA 1 14 ), 653 , 385 14 , 648 , 145 796
At4 ?g39100 SHL1 ?1 18 ), 220 , 276 18 , 217 , 933 228
At5 ?g05610 1 1 ), 679 , 105 1 , 676 , 933 241
At5 ?g09790 ATXR5 ,1 3 ), 041 , 045 3 , 038 , 979 379
At5 ?g12400 1 4 ), 013 , 814 4 , 020 , 910 1595
At5 ?g15540 1 5 ), 057 , 414 5 , 047 , 676 1846
At5 ?g16680 1 5 ), 473 , 509 5 , 467 , 537 1290
At5 ?g20510 1 6 ), 942 , 910 6 , 939 , 815 260
At5 ?g22260 MS1 1 7 ), 370 , 298 7 , 367 , 638 672
At5 ?g22760 2 7 ), 571 , 638 7 , 577 , 869 1566
At5 ?g24330 ATXR6 ,1 8 ), 297 , 071 8 , 295 , 150 349
At5 ?g26210 1 9 ), 160 , 386 9 , 158 , 323 255
At5 ?g35210 2 13 ), 499 , 468 13 , 491 , 426 1576
At5 ?g36670 1 14 ), 418 , 721 14 , 423 , 657 1193
At5 ?g36740 1 14 ), 478 , 020 14 , 482 , 957 1179
At5 ?g39550 VIM3 ?1 15 ), 857 , 864 15 , 854 , 477 617
At5 ?g44800 CHR4 ?1 18 ), 110 , 679 18 , 100 , 646 2242
At5 ?g48160 OBERON2 ^1 19 ), 547 , 542 19 , 545 , 059 574
At5 ?g53430 ATX5 ?2 21 ), 694 , 372 21 , 700 , 720 1043
At5 ?g57380 VIN3 ?1 23 ), 266 , 002 23 , 263 , 621 620
At5 ?g58610 2 23 ), 708 , 279 23 , 703 , 997 1065
At5 ?g60410 SIZ1 1 24 ), 312 , 116 24 , 318 , 373 885
At5 ?g63900 2 25 ), 585 , 924 25 , 587 , 597 557
a蛋白质中 PHD-finger 结构域的数目 , 由 SMART 和 Pfam鉴定得到。b基因的 5′端在染色体上的位置。 c基因的 3′端在染色体上的位置。
a Thenumber of PHD-finger domain in a protein is determined by both SMART and Pfam searches . b The position of 5′end of gene on chromosomes .
c Theposition of 3′end of gene on chromosomes .
032 云 南 植 物 研 究 31 卷
图 1 拟南芥 PHD-finger 蛋白的 NJ 系统进化树及基因表达类型和基因结构
左图为用 ClustalX1 .83 构建的 PHD-finger 蛋白的 NJ 系统进化树 , 概括了拟南芥 PHD-finger 家族 70 个蛋白间的进化关系。蛋白按基因号
命名。进化树中用虚线分割出 17 个自举值大于 900 的亚家族 ( 命名从 A-Q)。分支旁的数字代表基于 1000 次重复的自举值。中间为基
因表达类型图 , 其上方的 F 表示花组织 , R 表示根组织 , L 表示叶组织 , S 表示果荚。每个字母下方的灰色方块表示对应的基因在此
组织中表达。右图为基因结构图 , 黑色方块表示外显子 , 黑线表示内含子。
Fig . 1 Structures and expression patterns of the PHD-finger gene and NJ phylogenetic tree of the PHD-finger proteins in Arabidopsis
Thefigure on the left shows theneighbor- joining phylogenetic tree constructed using ClustalX1 .83 , summarizing the evolutionary relationship among the 70
members of the PHD-finger proteins in Arabidopsis . Theproteins are named according to their gene loci (see Table 1) . 17 subfamilies ( namedwith letters
A to Q) with high bootstrap values ( > 900 ) are separated by dashed lines from thephylogenetic tree . Thenumbers beside the branches represent bootstrap
values based on 1000 replications . Themiddle figure showsthe expression patternsof the PHD-finger gene . The letter F above the column of expression data
refers to flower, R refers to root, L refers to leaf , andS refers to silique . The positive signals are indicated by gray boxes below the letters . The figure on
the right shows the gene structures . The black boxes indicate exons . The black lines between the black boxes indicate introns .
1323 期 张 帆等 : 拟南芥 PHD-finger蛋白家族的全基因组分析
此外我们还通过 NCBI 中 BLASTp搜索了拟
南芥中 PHD-finger蛋白在水稻中的直系同源蛋白
情况。结果正如我们所预料 , 拟南芥中大多数
PHD-finger 亚家族的成员在水稻中都有同源蛋白 ,
这表明这些蛋白可能在单子叶植物和双子叶植物
分离之前已经出现了。而亚家族 F、G、和 I 在水
稻中却没有一致的序列 , 表明这三个亚家族的蛋
白分离时间较晚 , 可能只在双子叶植物中出现。
2 .3 拟南芥中 PHD-finger 结构域序列分析
为进一步了解拟南芥中 PHD-finger结构域间
的相似性 , 我们又比对了 84 个 PHD-finger 结构
域的序列 ( 图 2 )。这 84 个序列长度从 40～60 个
氨基酸不等 , 图中被阴影突出的区域是与 Zn离
子结合的 7 个半胱氨酸和 1 个组氨酸残基 , 由于
其涉及到结构域的稳定性 , 因此非常保守 , 此外
其两侧的残基也有一定的保守性 , 这可能与识别
不同甲基化状态的组蛋白有关 (Org等 , 2008 )。
而两个 Loop区是不同序列之间差异最大的部分 ,
不仅长度不同 , 而且氨基酸残基组成也不同 , 这
些区域与蛋白的功能有密切的关系。根据序列的
比对结果 , 我们发现拟南芥中 PHD-finger 结构域
的共有序列为 C-X( 1-2 ) -C-X( 8-19 ) -C-X( 2-4 ) -C-X( 4-6 ) -H-
X2 -C-X( 11-26 ) -C-X( 2-3 ) -C 与前人的研究结果 ( Capili
等 , 2001) 基本一致。对于变化较大的两个 Loop
区序列 , 由于不同作者分析的对象不同 , 得到的
长度范围也有所不同 , 这也暗示两个 Loop 区不
仅在同一物种的不同 PHD-finger 蛋白中差异较
大 , 而且在不同物种的 PHD-finger 蛋白进化中也
是变化较大的。
根据 PHD-finger结构域的多序列比对结果我
们构建了结构域的 NJ 进化树 ( 图 3 ) , 并从进化
树中分离出 23 组进化关系相近的 PHD-finger 结
构域 , 大部分 PHD-finger结构域的进化关系与蛋
白全序列之间的进化关系是一致的 , 这表明我们
对 PHD-finger蛋白亚家族的划分是较为可靠的 ,
但也存在一些有趣的差异 , 如 : D 亚家族中包含
了 5 个 Trithorax同源蛋白 , 虽然 5 个蛋白的全序
列亲缘关系相近但按其 PHD-finger 结构域间的相
似度却 能 分 成 两 组 ; 不 属 于 同 一 亚 家 族 的
At3g14740、At3g19510 和 At4g29940 编码的三个
蛋白 , 虽然全序列亲缘关系较远 , 但 PHD-finger
结构域序列却非常相似等。这些结果指出了同一
亚家族成员之间的差异性以及不同亚家族成员之
间的相似性 , 为进一步研究 PHD-finger蛋白结构
与功能之间的关系提供了帮助。
2 .4 PHD-finger 家族基因的定位和重复分析
利用 TAIR 网站的染色体绘图工具 ( Chromo-
some Map Tool ) 我们将预测的 PHD-finger 家族 70
个基因定位到 5 条染色体上 (图 4)。从图中可以
看出 , 这一家族有 30%的基因分布在第 5 条染色
体上 , 27% 的基因分布在第 1 条染色体上 , 21%
的基因分布在第 3 条染色体上 , 但在第 2 条和第 4
条染色体上这一家族基因分布较少 , 特别是第 4
条染色体短臂上完全没有这一家族的基因分布。
在植物中 , 很多基因家族通过大范围的基因
组倍增或串联重复方式来扩充家族成员数量
(Cannon等 , 2004)。为了解拟南芥 PHD-finger家族
成员的进化机制 , 我们研究了涉及这一家族成员
的基因组倍增和串联重复情况。首先我们利用
“Paralogous in Arabidopsis”对 70 个预测的 PHD-fin-
ger蛋白基因进行了分析 , 发现共有 25 个 PHD-fin-
ger蛋白的基因位于已知的倍增片段上 ( Blanc 等 ,
2003) , 其中 20 个基因的倍增基因仍为 PHD-finger
家族基因 , 并且成对的倍增基因位于 NJ 进化树
中相同的进化分枝 , 但另外 5 个基因的倍增基因
中则没有检测到有典型的 PHD-finger 结构域编码
序列 , 其 中 At4g14920、 At4g04260、 At2g18880
都是因为碱基突变导致 PHD-finger 结构域中保守
氨基酸发生变化 , 而 At4g31900 和 At4g30200 则
是整个 PHD-finger结构域的缺失 , 可能是在倍增
或重组过程中发生丢失。在分析串联重复基因时
我们发现拟南芥 PHD-finger家族中涉及串联重复
的基因比较少 , 只有第一条染色体长臂上存在两
对串联重复基因 At1g57800 (VIM5) 和 At1g57820
(VIM1 ) 以 及 At1g66040 ( VIM4 ) 和 At1g66050
(VIM2) , 有意思的是这两对基因都属于 A 亚家
族。以上结果表明了在拟南芥 PHD-finger 家族中
成员的扩增主要依赖于基因组的片段倍增。
2 .5 基因结构和蛋白结构域分析
利用 TIGR ( http:??www.tigr.org?tdb?e2k1?ath1?)
提供的数据 , 我们对拟南芥 PHD-finger家族成员
的基因结构做了分析。结果表明在这一家族中最
长的基因有 10 033 bp, 最短的只有 1 078 bp。有 5
个基因没有内含子 , 而 65 个有内含子的基因 ,
232 云 南 植 物 研 究 31 卷
图 2 PHD-finger 结构域序列的多序列比对
对文中确定的 84 个 PHD-finger 结构域序列做比对 , 结构域序列命名参考所在基因号 , 结构域名后标注了 PHD-finger
在蛋白中的具体位置。比对中一致的氨基酸残基用黑色阴影标记 , 相似的氨基酸残基用灰色阴影标记。图底部显示
了通过比对得到的保守氨基酸残基。
Fig . 2 Multiple sequence alignment of the PHD-finger domains
Multiple sequence alignment of 84 PHD-finger domains identified in this study . Thedomains arenamed according to their gene loci .
The positions of the PHD-finger domains in the proteins are indicated by the number at the end of thedomain names . The shading of
the alignment presents identical residues in black and similar residues in gray . The consensus residues are shown at bottom .
3323 期 张 帆等 : 拟南芥 PHD-finger蛋白家族的全基因组分析
图 3 拟南芥 PHD-finger 结构域的 NJ 系统进化树
进化树的构建基于 PHD-finger 结构域序列的比对结果 , 概括了拟南芥中 PHD-finger 结构域的进化关系 , 结构域按基
因号命名 , 并标明结构域在蛋白中的位置 , 分支旁的数字表示基于 1000 次重复的自举值。在一个进化分枝中用相
同符号标记的结构域具有较近的进化关系。
Fig . 3 NJ phylogenetic tree of the PHD-finger domains in Arabidopsis
The phylogenetic tree, based on multiplesequence alignment of PHD-finger domains, summarizes the evolutionary relationships among
the PHD-finger domains in Arabidopsis . Thedomainsarenamed according to their gene loci and thepositionsof the PHD-finger doma-
ins in the proteins are indicated at the end of thedomain names . The numbers beside the branches represent bootstrap values based on
1000 replications . The domains given the same symbols in a clade have close evolutionary relationships .
432 云 南 植 物 研 究 31 卷
图 4 拟南芥 PHD-finger 基因的分布和倍增情况
图上方标注了染色体号 , 图中 a、b、c、d、e 分别表示不属于 PHD-finger 家族的 At2g18880、 At4g04260、 At4g14920、
At4g30200、 At4g31900。倍增基因用灰线相连。串联重复基因被灰色背景标记。
Fig . 4 Chromosomal distribution and duplication events for Arabidopsis PHD-finger genes
The chromosomenumber is indicated at the top of each chromosome . a: At2g18880; b: At4g04260; c: At4g14920 ; d: At4g30200 ;
e: At4g31900 . Thefivegenes indicated with letters a to e are not PHD-finger genes . Gray lines connect corresponding duplicated
genes . The genes involved tandem duplication events are marked with the gray background .
内含子数目从 1～29 不等 ( 图 1) , 并且结构相似
的基因位于 NJ 进化树中相同的进化分枝 , 这一结
果证明了我们对亚家族的划分是较为可靠的。在
对拟南芥 PHD-finger 结构域中内含子分析时发现
有 47 个结构域中没有内含子 , 约占总数的 56% ,
只有 37 个结构域有内含子 , 内含子数从 1～3 个
不等 , 大多分布在两个 Loop中 , 且 0 相位的内含
子居多。
蛋白质的结构域与功能有密切的关系 , 因此
对拟南芥 PHD-finger蛋白结构域研究有重要意义。
我们首先用 MEME 对 70 个 PHD-finger蛋白分别做
了分析 , 结果表明同一亚家族成员之间含有非常
5323 期 张 帆等 : 拟南芥 PHD-finger蛋白家族的全基因组分析
相似的保守结构基序且很多 PHD-finger亚家族成
员具有 1 个或多个基序完全一致的旁系同源蛋
白 , 如: At1g66050 和 At1g66040; At3g07780 和
At5g48160; At2g36720、At2g37520 和 At3g53680 等 ,
这些旁系同源蛋白之间序列相似并可能存在功能
冗余 , 这就使得人们可能难以通过研究单基因突
变体的方式来分析这些基因的功能。而大多数不
在同一亚家族的 PHD-finger 蛋白之间则差异较
大 , 不仅 PHD-finger 以外的基序序列差异较大 ,
不同基序的位置也各不相同。
同时我们又用 SMART和 Pfam结构域分析工
具鉴定并注释了 PHD-finger 蛋白中除 PHD-finger
结构域之外的已知结构域 (图 5 ) , 在 A 亚家族
中我们发现所有成员都有 2 个 RING 结构域和 1
个 SRA 结构域 , SRA 结构域可能与 DNA 中的甲
基化胞嘧啶相结合 (Unoki 等 , 2004) 。而 B 亚家
族和 D 亚家族中都含有 SET 结构域 , SET 结构域
可能参与组蛋白的甲基化过程 ( Wang等 , 2001) ,
此外 D 亚家族成员还都具有 PWWP 和 PostSET 结
构域。H 亚家族中的成员都有 CHROMO、DEADc
和 HELICc结构域 , 而 K、P、Q 三个亚家族成员
分别都具有 DDT、AAA 和 BAH 结构域。在其它
亚家族和 15 个单独的 PHD-finger蛋白中还鉴定到
一些有趣的结构域 , 如 : JmjC、HOX、FN3 等。
根据 SMART和 Pfam的鉴定结果我们发现大多数
PHD-finger蛋白的功能结构域都与染色质结构调控
以及基因的转录调控有关 , 这为我们进一步研究
PHD-finger家族的生物学功能提供了帮助。
2 .6 PHD-finger 家族基因表达分析
通常基因的表达谱与基因的功能有关 , 我们
主要利用了 MPSS 和 ESTs数据库分析了 PHD-fin-
ger家族基因的表达情况 , 对于两个数据库中不
一致的 , 我们将二者信息进行整合 , 并参考了
Genevestigator数据库的信息。从表达谱中可以看
出 PHD-finger家族大多数基因在各个组织中均有
表达 (图 1 ) , 表明这些基因可能普遍参与拟南
芥各个组织的生长发育 , 但也有一些基因的表达
具有组织特异性 , 如包括 MMD1 和 MS1 两个已
知基因在内的 M 亚家族成员主要在花中表达 ,
MMD1 的突变体表现为小孢子母细胞减数分裂异
图 5 部分亚家族蛋白的结构域
图中列出了 A、B、D、H、K、P、Q 亚家族蛋白的 PHD-finger 结构域及其它已知结构域 , 结构域由 SMART 和 Pfam鉴
定获得。黑色方块表示 PHD-finger 结构域 , 用数字标记的白方块表示其它结构域 , 其具体类型显示在右上方。
Fig . 5 Domains of protein in some subfamily
The protein domains in A , B, D, H , K , P and Q Subfamily determined by both SMART and Pfam searches are shown . The black
boxes indicate the PHD-finger domain . The white boxes with numbers 1 to 19 indicate 19 domains except PHD-finger domain . The
names of the 19 domains are shown in top right .
632 云 南 植 物 研 究 31 卷
常并导致雄性不育 (Yang等 , 2003 ) , 而 MS1 的
突变体表现为绒毡层和小孢子外壁异常 ( Yang
等 , 2007) 。此外 F 亚家族以及 At5g12400 等基因
也在花中特异性表达。
大多数亚家族成员的表达谱具有一致性 , 但
也有的亚家族成员的表达谱差异较大 , 如 A 亚
家族中 At1g57820 (VIM1 ) 表达最为广泛 , 而其
它 VIM 基因则表达各异 , 这一家族成员主要参
与结合 DNA 中甲基化胞嘧啶和组蛋白 , 并调控
染色质的状态 , 很明显 VIM1 在其中起了主要作
用 , 研究表明 VIM1 的突变体会导致 DNA 高度甲
基化并使处于分裂间期的染色质凝缩 , 而其它几
个基因的突变体则没有明显表型变化 ( Woo 等 ,
2007)。O亚家族成员的表达谱也不尽相同 , 但
基因 结 构 和 蛋 白 结 构 域 相 近 的 At3g53680、
At2g37520、 At2g36720 和 At2g27980 4 个基因表达
却较为一致。
尽管拟南芥 PHD-finger家族大部分成员的功
能未知 , 但系统进化和表达分析的结果为今后深
入的结构和功能研究提供了参考。
3 结论
对拟南芥中 PHD-finger 家族的 70 个基因做
了较全面的研究 , 包括分别对结构域和蛋白全序
列的比对及系统进化树的构建 , 基因的倍增和染
色体定位分析 , 基因结构及表达情况和蛋白结构
域的分析等。根据拟南芥 PHD-finger 家族蛋白进
化树的结果 , 我们分离出 17 个进化关系较近的
亚家族 , 亚家族划分的可靠性得到了其它分析结
果的支持。在 PHD-finger结构域序列的分析中我
们揭示了相同亚家族成员和不同亚家族成员之间
PHD-finger 结构域的相似和差异 , 为深入研究
PHD-finger蛋白功能提供了参考。对基因组倍增
和串联重复的研究使我们认识到基因组片段倍增
事件在 PHD-finger家族成员数的扩增中起了主要
的作用。而基因表达及蛋白结构域的分析则揭示
了 PHD-finger家族蛋白可能在拟南芥不同组织的
生长发育中必不可少 , 它们大多参与染色体状态
的调控和基因的转录调控等。总之以上结果为我
们进一步研究 PHD-finger家族成员的结构和功能
的关系提供了参考。
〔参 考 文 献〕
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