被子植物DNA去甲基化酶基因的進(jìn)化分析（可編輯）

1、被子植物dna去甲基化酶基因的進(jìn)化分析 hereditas beijing 72014 年 3 月 , 363: 276285 /0. 研究報(bào)告 被子植物dna 去甲基化酶基因的進(jìn)化分析 劉秋香, 薛慶中, 徐建紅 浙江大學(xué) 農(nóng)業(yè) 與生物技 術(shù)學(xué) 院, 杭州 310058 摘要: dna 甲基 化模式 和水平 取決于 dna 甲基轉(zhuǎn) 移酶和 去甲基 化酶的 作用, 而 dna 去甲基 化酶在 dna 主動(dòng)去 甲基化 過程中 起到關(guān) 鍵作用 。文章 以已知 的 10 個(gè) dna 去甲 基化酶基 因?yàn)閰?照, 鑒 定出兩 種單子 葉植物 水稻 和高粱 、 兩種 雙子葉 植物 擬 南芥和 毛果楊 中

2、 所有的 dna 去甲 基化酶 同源基 因, 其 中新鑒 定出兩 類 dna 去甲 基化酶 類似基 因 dml4 和 dml5。 基于 保守 的糖苷 酶結(jié)構(gòu) 域序列 的系統(tǒng) 進(jìn)化分 析以及 基因在 染色體 上的位 置分 析表明, 植物 中 dna 去甲 基化酶 基因存 在串聯(lián) 復(fù)制、 染色體 區(qū)段復(fù) 制和全 基因組 復(fù)制而 導(dǎo)致基 因的新 功能化 和亞功 能化。 文章還 進(jìn)一步 分析了 dna 去甲基 化酶基 因在不 同組織 中的表 達(dá)情況, 旨 在理解 dna 去 甲基化酶 基因的 功能與 進(jìn)化的 關(guān)系, 以期 為 dna 去 甲基化 酶基因 在植物 中的利 用提供 參考。 關(guān)鍵詞 : dn

3、a 去 甲基化 酶; 糖 苷酶結(jié) 構(gòu)域; 進(jìn)化; 基因復(fù)制 與丟失; 基因 表達(dá) phylogenetic analysis of dna demethylase genes in angiosperm qiuxiang liu, qingzhong xue, jianhong xu college of agriculture and biotechnology, zhejiang university, hangzhou 310058, china abstract: the dna methylation patterns and levels are depended on the f

4、unction of dna methyltransferase and dna demethylase, and dna demethylase plays a critical role in active dna demethylation. in this paper, all homologous dna demethylase gene copies were identified in monocots o. sativa and s. bicolor and dicotyledon a.thaliana andp. trichocarpa based on ten known

5、dna demethylase genes from rice and arabidopsis. two types of new dna demethy-lase ?like genes dml4 and dml5 were identified. tandem duplication, segmental duplication and whole genome duplica-tion exist in dna demethylase gene family in plants, which result in neofunctionalization and subfunctional

6、ization upon the phylogeny of conserved glycosylase domains and chromosomal locations of genes. furthermore, the expression of dna demethylase genes was investigated in different tissues. this study will facilitate our understanding of the relationship be-tween function and evolution of dna demethyl

7、ase, and utilizing the dna demethylase genes in plantskeywords: dna demethylase; glycosylase domain; evolution; gene duplication and gene loss; gene expression收稿日期: 2013 ?11 ?21; 修回日期: 2014 ?01 ?09基金項(xiàng)目: 國(guó) 家重點(diǎn) 基礎(chǔ)研 究發(fā)展計(jì) 劃 973 計(jì)劃 項(xiàng)目 編號(hào): 2010cb126205, 國(guó) 家自然 科學(xué)基 金項(xiàng)目 編號(hào) : 31171165 和 人事廳 留學(xué)回國(guó) 基 金項(xiàng)目 編號(hào) : j2

8、0120581 資助 作者簡(jiǎn)介: 劉秋 香 , 碩士研 究生, 專業(yè) 方向: 植物基因 組學(xué)。 e-mail: lqxabcxyz163 通訊作者: 徐建 紅 , 博士, 研究員 , 研 究方向 :基因組 學(xué)與分 子生物學(xué) 。e-mail: jhxu/. doi: 10.3724/sp.j.1005.2014.0276 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間: /. url: 2014-2-17 16:17:48 第 3 期 劉秋香等 : 被子 植物 dna 去甲基化酶基 因的 進(jìn)化分析 27722,23dna 甲基化是一種重要 的表觀遺傳 修飾, 參與 甲基化 。如水稻 oryza sativa 中的 ros1b 1

9、, 2 3 4默 子沉 諸如轉(zhuǎn)座 印跡 基因組 、 、 x 色體失活 染 等 dng701 基 因的表達(dá)能夠調(diào)節(jié)逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子tos1724生物學(xué)過程 。dna 甲基化能夠調(diào)節(jié) 植物的早期 發(fā)育 的 甲基化 水平 , 進(jìn) 而改變其 轉(zhuǎn)座活 性 。 dml2 和5 6、 基因座 專 一性基因 表 達(dá) 。 在高 等 植物中, 有 cg 、 dml3 主 點(diǎn)的dna 定位 組織中特 營(yíng)養(yǎng) 抑制植物 要是 甲25chg 和 chhh 代表a 、 c 或 t3 種甲基化位點(diǎn), 其中 基化 dna 糖苷酶的 結(jié)構(gòu)域序 列 進(jìn)行分析 顯 示, 21cg 和 chg 位 點(diǎn)的甲 基化 是直接 調(diào)節(jié) 基因表 達(dá)最

10、 主 ros1 能團(tuán)的 是雙功 dna 酶 糖苷裂解 , 而 dme7 20要的甲基 化 形式 。 功能團(tuán) 糖 苷 酶 , 但 有研 究也表明 dme 、 dml2 、dna 的甲基 化水 平和 模 式取 決于dna 甲基轉(zhuǎn) dml3 和 ros1 一樣是雙 功能團(tuán)的dna 糖苷裂解酶2628移酶和去 甲 基化酶。 植 物中的甲 基 轉(zhuǎn)移酶主 要 有 甲 。 基轉(zhuǎn)移酶 1met1 、結(jié) 構(gòu)域重排甲 基轉(zhuǎn)移酶drm 在植物 生長(zhǎng) 發(fā)育和 環(huán)境 應(yīng)答過 程中, dna 去甲8和染色 質(zhì)甲 基化酶 cmt3 類 , 對(duì)應(yīng)動(dòng)物 中的 基化能夠 激 活一些特 殊 基因的功 能 以及對(duì)基 因 組 后9 6

11、, 29dnmt1 、 dnmt3a 和 dnmt3b 。 met1 能維持重 生 狀態(tài)進(jìn) 行重 置 , 分為 被動(dòng)去 甲基 化和主 動(dòng) 去復(fù)和單拷貝dna 序列中 cg 類型的甲基化, 并影 響 甲基化。在dna 復(fù)制時(shí), dna 甲基轉(zhuǎn) 移酶的失活 會(huì)10形 態(tài)特 征、花 期調(diào) 控和移 植變 化 ; drm 包括 導(dǎo)致dna 被 動(dòng)去甲 基化 ; 而與dna 復(fù) 制無(wú)關(guān) 的dnadrm1 、drm2 和 zmet3, 對(duì)非對(duì)稱 位 點(diǎn)的dna 序列 主動(dòng)去甲基 化則需要dna 去甲基化酶參與, 并且在進(jìn)行從頭甲 基化, 維持失活轉(zhuǎn)座子 及轉(zhuǎn)基因沉 默位 dna 主動(dòng)去甲基化中 占 主導(dǎo)地位

12、。 dna 主動(dòng)去甲 基30,31點(diǎn) 的胞嘧 啶甲 基化 , 同時(shí) 也能對(duì) 與 sirna 同源 的序 化可以阻止內(nèi)外源基因的轉(zhuǎn)錄沉默 , 調(diào)節(jié)印 跡11,12 24,32列中的胞嘧啶進(jìn)行從頭甲基化 ; cmt 主要維 持 基因和轉(zhuǎn) 座 子的轉(zhuǎn)錄 。 ros1 介導(dǎo)的 dna 去 主動(dòng)13 33chg 和 chh 核苷酸序列中胞嘧啶的甲基化 , 同時(shí) 起 引 甲基化可 5s rdna 凝 色質(zhì)的解 染 , 以及引起植3436也 能對(duì)與 sirna 同 源的 序列 的胞嘧 啶進(jìn) 行從頭 甲基 物對(duì)生物脅迫和環(huán)境脅迫的響應(yīng) ; 另外, 還可12化 ; 此外 , 還有通過 met1 維持 cg 甲基

13、化 的 以阻止rna 介導(dǎo)的dna 甲基化。drm2 通過sirnahda6 、通過cmt3 維持 非cg 甲基 化的 suv 家族 、 的裝載可以 對(duì)整個(gè)序列 上的胞嘧啶 cg 、 chg 和14從 頭進(jìn)行dna 甲基 化的nrpd1b 等其他甲 基化酶 。 chh 進(jìn)行甲 基化, 從而 促使含有同源dna 序列的3740研究表明, met1 、 drm 和 cmt基 因突變 后 可 以引起 基因轉(zhuǎn)錄沉 默 。已 有的研究表 明, 當(dāng)基因的啟擬南芥 arabidopsis thaliana 整個(gè)基因組 或部分基 因 動(dòng)子 能夠 生 成 24nt 的 sirna 時(shí) , 該基因 就能 被rna

14、1517 14,38,41dna 甲基化水平發(fā)生 改 變 。 介導(dǎo)的dna 甲基化所 沉 默 。 dna 去 甲 基化 酶基 因中含 有最 保守的 dna 糖 dna 去甲基化酶在 dna 主動(dòng)去甲 基 化中起到在植物中, 苷酶結(jié)構(gòu) 域。 dna 糖苷酶結(jié) 構(gòu)域是一 種 雙 迄重要作用 今為止, 。 植物 dna 去甲 基化酶基 因 的功能團(tuán):一 方面直接剪 切甲基胞苷, 另一方面能在 功能研究主 要集中在水 稻和擬南芥 中 , 然而對(duì)于其脫 堿基位點(diǎn)裂 開 dna 主鏈 ; 然后通過dna 堿 基的切 在不同 物種 中的進(jìn) 化與 線性同 源關(guān) 系還不 太清 楚 , 除修復(fù)途徑dna 聚合酶

15、和連接酶 用 無(wú)修飾的胞苷 這在一定 程 度上限制 了 對(duì)該基因 家 族的有效 利 用 。18填補(bǔ)堿基 空 位 。 dna 糖苷酶有 兩 種: 一 種只 是水 本文選取 已 知的 10 個(gè) dna 去甲基化 酶基因?yàn)?參 照, 解堿基和脫 氧核糖之間 的糖苷鍵, 另一種不僅 水解 通過序列 比 對(duì)從水稻高粱、 sorghum bicolor南堿基和脫氧核糖之間的糖苷鍵, 并且 具有 脫嘌呤 嘧 芥、毛果 楊 populus trichocarpa 基因 組中分別 獲 得啶內(nèi)切核酸酶 的作用, 裂解 dna 主鏈 的無(wú)堿基位點(diǎn) 8 、 6 、 7 、 6 個(gè)同源基因, 絕大部分基因在染色體上的1

16、9。 dna 去 甲基化酶 基 因主要 有 4 個(gè)家族:dme 、 位 置是線 性同源 的 ; 同 時(shí)基于 糖苷酶 保守區(qū) 域的氨 基ros1 、 dml2 和 dml3 。 只存在于雙子葉植物中的 酸序列構(gòu) 建 系統(tǒng)進(jìn)化 樹, 探究 dna 去甲基化酶 基 因dme, 通常在雌配子體 的中央細(xì)胞 和助細(xì)胞中 優(yōu)先 在高等植物中的進(jìn)化關(guān)系; 水和擬南芥中的基因表20表達(dá), 從而 影 響胚和胚 乳 的發(fā)育 , 而 ros1 在植物 達(dá)分析表明, 基因的組織特異性表達(dá) 與進(jìn)化密切 相21的所有組 織 中都有表 達(dá) , 它能 抑制 基因啟動(dòng)子的 該研究 有 助于進(jìn)一 步 關(guān)。研究 dna 的主 動(dòng)

17、去 甲基化、擬為單。對(duì) 278 hereditas beijing 2014 第 36 卷 以及 dna 去 甲基化酶 基 因表觀調(diào) 控 的有效利 用 。 2 結(jié)果 與分 析 1 材料 和方 法 2.1 dna 去 甲基化酶 基 因的鑒定 本研究以 擬 南芥和水 稻 中已知的 10 個(gè) dna 去1.1 dna 去 甲基化酶 基 因的鑒定 甲基化酶 基 因的氨基 酸 序列為參 照, 在水稻 高、 粱、雙子葉植 物 擬南芥中 有 4 個(gè) dna 去甲基化酶 基擬南芥和 毛 果楊中分 別 找到 8 、 6 、 7 、 6 個(gè) dna 去因: ros1 、 dme 、 dml2 和 dml3; 而單

18、 子 葉 植物水甲基化酶 同 源基因 表 1 在水 稻中新。 鑒定出 2 個(gè)基稻中有 6 個(gè) dna 去甲基化 酶基因 : ros1a 、 ros1b 、因 os06g13070 和 os11g16580; 在擬南芥中新鑒 定42,43ros1c 、 ros1d 、 dml3a 和 dml3b 擬水稻、出 3 個(gè)基 因 at1g05900 、 at2g31450 和 at3g47830 。南 芥中的 這 10 條 基 因的氨 基酸序 列為 參考 , 以dna 去甲基化酶基因 的 數(shù)目在 4 個(gè)物 種中相差 不 大?5ee 為 閾值在 jgi 的 phytozome 數(shù)據(jù) 庫(kù)僅 02 個(gè) , 表

19、明控制 植 物 dna 主動(dòng)去甲基化 的 基/. 擬南 高粱、 中尋找水稻 、然而 因數(shù)目相 仿。 dna 去 甲基化酶 基 因的氨基 酸 殘芥和毛果 楊 的dna 去甲基化酶基 因 的同源基 因 。 基長(zhǎng)度卻 有 顯著差異, 短 序列變幅 在 277 386 個(gè)氨1.2 dna 去 甲基化酶 的 系統(tǒng)進(jìn)化 分 析 基酸, 長(zhǎng) 序列為 901 1987 氨基酸。在 水稻、高粱 、擬南芥和 毛 果楊 4 個(gè)物種 中 dna 去甲基化酶基 因 以以 dna 去甲 基化酶基因 中最保守的糖苷酶結(jié)構(gòu)長(zhǎng)序列居多, 但其短和長(zhǎng) 的比例并不相同 , 分別 為域 為對(duì)象 , 利用 weblogo 3 軟件 /

20、. 3:5 、 1:5 、 2:5 和 2:4 。 dna 去甲基化 酶基因多 數(shù) 分threeplusone/create.cgi 獲 得糖苷 酶保 守區(qū)域 氨布在不同 的 染色體上, 如 擬南芥中 具 有隨機(jī)性的 。 5基酸序列的logo圖。同時(shí) 使用clustal x 軟件進(jìn)行多對(duì)染色體上均有 dna 去甲基化酶分布, 水稻中序列 聯(lián)配, 并用 mega5.05 構(gòu) 建 系統(tǒng)進(jìn) 化樹 , 構(gòu)建dna 去甲基化酶多數(shù) 位 于較長(zhǎng)染 色 體1 、 2 、 4 、 5 、方法選用最 大似然法, 采 用最佳的wag 模型, boot-6 上 , 高粱中 則多數(shù)分 布 于較短染 色 體6 、 8

21、、 9 、 10strap 值設(shè) 為 1000 。 上 , 而毛果 楊 中多分布 在 19 對(duì)染色體的 中等長(zhǎng)度 染1.3 dna 去 甲基化酶 的 共線性 色體6 、 7 、 8 、 10 上。 dna 去甲基化 酶基因在 染 色體上的分 布 見表 1 。 以所有鑒 定 出的 dna 去甲基化 酶 基因?yàn)閰?照, 分別選取其 上、下游的 基因, 在水稻、高粱、 擬南2.2 dna 去 甲基化酶 的 系統(tǒng)進(jìn)化 分 析 芥、毛果楊 基因組中尋 找同源基因, 獲得對(duì)應(yīng)的染氨基酸序 列 是酶的一 級(jí) 結(jié)構(gòu), 相對(duì) 于堿基序 列色體同源 區(qū) 段。 更能反映 不 同 dna 去甲 基化酶基 因 間的關(guān)系

22、。 鑒于1.4 水稻和擬南芥dna 去甲基化 酶 的表達(dá) dna 去 甲基化酶 基因全長(zhǎng)序 列在不同物 種或同一從 msu 水稻 基因組注釋 計(jì)劃數(shù)據(jù)庫(kù) /. 物種不同家 族中差異較 大, 不適合做進(jìn)化分析 。因此 , 本研究 選 擇其最保 守 的糖苷酶 結(jié) 構(gòu)域 149 個(gè)氨/./ 中 獲得水 稻不 同發(fā)育 階段 11基酸加以 分 析 圖 1 。結(jié) 果表明, 該 結(jié) 構(gòu)域由 8 個(gè)螺種組 織 dna 去 甲基 化酶基 因的 frkmreads per 旋區(qū)1 ?9 、 15 ?20 、 28 ?33 、 39 ?50 、 59 ?68 、 84 ?95 、kilobase of exon m

23、odel per million mapped reads 表119 ?130 、 138 ?149 組成, 而且發(fā)現(xiàn) 有 6 個(gè)氨基酸 非達(dá)值數(shù)據(jù)rna-seq, frkm 值可以反映基因的表達(dá)常保守, 是賴氨酸 們 它 k, 40 位 酸d 天冬氨 、 , 59 位水平。從barthe bio ?analttic resource for plant 酸 和半胱氨 c, 133 140 位、 143 位、 149 位 圖 1 。 biology: /. ?bin/efpwebcgi 中獲得擬 南芥dna 去 甲基化酶基 因的芯片表 達(dá)為揭示高等植物中 dna 去甲基化酶基因的進(jìn)結(jié)果, ms

24、amicroarry suite 表達(dá)使用gcos 1.0 軟件化關(guān)系, 本 研 究采用最 大 似然法構(gòu)建 dna 去甲基化44affymetrix 估測(cè) , 用微 陣 列 分析工 具 mev 軟件酶基因的 分 子系統(tǒng)進(jìn) 化 樹。所有 的 基因分為 4 個(gè)亞multiexperiment viewer 得到 基因 表達(dá) 的熱 圖家族:ros1, dml3, dml4 和 dml5, 其中 ros1 和heat-map 。 dml3 亞家族中含有已 知 的 10 個(gè)基因, 而 dml4 和位、。以 第 3 期 劉秋香等 : 被子 植物 dna 去甲基化酶基 因的 進(jìn)化分析 279表 1 水稻、高

25、粱、擬南芥和毛果楊中 dna 去甲基化酶基因的數(shù)量、長(zhǎng)度和位置 物種 基因數(shù)量 基因名稱 基因 id 長(zhǎng)度 氨基酸 染色體 位置 ros1a os01g11900 1952 1 6444310 ?6456076 ros1d os02g29230 1669 2 17354840 ?17362939 dml3a os02g29380 1207 2 17446354 ?17455159 dml3b os04g28860 960 4 17100968 ?17106827 水稻 8 ros1b os05g37350 1847 5 21843770 ?21856444 ros1c os05g37410 1

26、829 5 21886293 ?21896908 dml4 os06g13070 277 6 7160830 ?7172482 dml5 os11g16580 362 11 9187689 ?9193002 ros1d sb04g019820 1891 4 46478876 ?46491733 dml3a sb06g029335 901 6 57988439 ?57995721 dml5 sb08g003320 367 8 3666258 ?3670976 高粱 6 ros1e sb08g008620 1856 8 16672287 ?16684769 ros1b sb09g021920 17

27、04 9 51510241 ?51520419 dml4 sb10g008590 279 10 8806172 ?8808877 dml5b at1g05900 386 1 1786856 ?1789676 ros1 at2g36490 1393 2 15308021 ?15314807 dml5a at2g31450 379 2 13401132 ?13404177 擬南芥 7 dml2 at3g10010 1332 3 3081814 ?3088195 dml4 at3g47830 293 3 17647069 ?17648346 dml3 at4g34060 1044 4 1631400

28、3 ?16319426 dme at5g04560 1987 5 1309202 ?1318401 dml3 potri.001g150000 1491 1 12356244 ?12361569 ros1 potri.006g116000 1663 6 9116206 ?9126343 dml5 potri.007g127600 379 7 14353030 ?14358654 毛果楊 6 dmea potri.008g025900 1789 8 1359865 ?1370201 dmeb potri.010g234400 1867 10 21496961 ?21510229 dml4 pot

29、ri.015g071300 306 15 9582514 ?9586447dml5 亞家族中是新 鑒 定的基因 圖 2a 。本文發(fā)現(xiàn) 基因聚在一 起, 通過全長(zhǎng)序列分析 進(jìn)一步證實(shí) 了該在 ros1 亞家 族中, 單子 葉 植物的 ros1 基因都聚 集 結(jié)果 圖 3c, 但擬南芥 的 dml2 與 ros1 同源性高于與 dml3 基因之間 的 同源性, 推測(cè) dml2 與 ros1在一起, 而 雙 子葉植物 的 ros1 則和 dme 基因聚 集可能是同 源 基因。而 在 新鑒定的 dml4 和 dml5 亞在一起。 對(duì) 該組基因 全 長(zhǎng)氨基酸 序 列分析發(fā) 現(xiàn) 雙 子家族中 4 個(gè) 物種

30、都有 相 應(yīng)的同源 基 因 圖 3a, 表明葉植物中的 dme 與 ros1 基因的同源 性高于與 單 子此兩類亞家族基因很保守 , 為此, 根 據(jù)序列的同源葉植物 ros1 基因的同 源性 圖 2b, 推測(cè)雙子 葉 植性分別將 其 命名為 dml4 和 dml5 表 1 。 物的 dme 基 因是從 ros1 基因復(fù)制 過 來(lái)的, 并且 與2.3 dna 去 甲基化酶 基 因的共線 性 分析 單子葉植 物 的 ros1 基 因?qū)偻?基 因。在單 、 雙子葉植物 分化 之后, 單 子葉 植物內(nèi)部 ros1 基因還繼為了驗(yàn)證在 系統(tǒng)進(jìn)化分 析中結(jié)果的 可靠性 , 本續(xù)復(fù)制 產(chǎn)生 新的 ros1

31、 基因, 甚 至水 稻和高 粱從 共研究對(duì)所有 的 dna 去甲基化酶基 因在基因組 位置同祖先分 化 之后, 水稻 中的 ros1 基因仍在 復(fù) 制水 稻中的 上的共線 性 進(jìn)行分析 。 os05g37350ros1bros1a 和 ros1b 在 。 dml3 亞家族中 所有的 dml3 和 os05g37410ros1c 是串 聯(lián)復(fù)制 基因 , 這兩 個(gè)基 280 hereditas beijing 2014 第 36 卷圖 1 dna 糖基化酶保守區(qū)域 logo 圖 橫坐標(biāo)是氨基酸的位置, 縱坐標(biāo)是氨基酸保守性分值。 圖 2 dna 去甲基化酶基因的系統(tǒng)進(jìn)化分析 a: 基于糖苷酶保守區(qū)

32、域的氨基酸序列的系統(tǒng)進(jìn)化樹 ; b : ros1 亞家族基因全氨基酸序列系統(tǒng)進(jìn)化樹 ; c : dml3 亞家族基因全氨基酸序列系統(tǒng)進(jìn)化樹。os: o. sativa; sb: s. bicolor; at: a. thaliana; potri: p. trichocarpa 。因和高粱的 sb09g021920ros1b 是線 性同源基因; 可能被缺 失 或者在水 稻 中獲得新 復(fù) 制的 os01g11900 水稻 os02g29230ros1d 與高粱的 sb04g019820 ros1a 基因; 同 時(shí)高粱 中多 了 sb08g008620 ros1d 是同源基 因 ; 然而在 高粱

33、中卻找 不到 ros1e, 從 系統(tǒng)進(jìn) 化分 析結(jié)果 可以 推斷該 基因 可能os01g11900ros1a 的線性 同源基 因, 推測(cè) 該基 因 是從 sb04g019820ros1d基因復(fù)制 得 到的 圖 2, 圖 第 3 期 劉秋香等 : 被子 植物 dna 去甲基化酶基 因的 進(jìn)化分析 281 圖 3 水稻、高粱、擬南芥和毛果楊中 dna 甲基化酶基因的線性同源關(guān)系 a : ros 基因家族 ; b : dml3 基因家族 ; c : dml4 基因家族 ; d : dml5 基因家族。3a 。 本研究 發(fā)現(xiàn), 在雙 子 葉植物中, 擬 南芥的dme 楊分化之前 發(fā)生過一次 全基因組復(fù)

34、 制 , 這與之前的45基因 at5g04560 與毛果 楊的 dme 基因 dmea, 研究結(jié)果 相 一致 。 potri.008g025900 和 dmeb, potri.010g234400 是線 在 dml3 亞家族中 5 個(gè) dml3 同源基因性同 源基 因 圖 3a; 而擬 南芥 的 at3g10010dml2 os02g29380dml3a 、 os04g28860dml3b 、基因與at2g36490 ros1 和 potri.006g116000ros1 at4g34060dml3 、 potri.001g150000dml3 和線性同源 圖 3a, 暗示毛果楊的dmea 和

35、 dmeb 以及 sb06g029335dml3 之 間不存在線 性同源關(guān)系 圖擬南芥的dml2 與 ros1 是 由染色體 復(fù) 制或者是 全 基 3b, 推測(cè)這 是因?yàn)閐na 去甲基化 酶dml3 基因家 族因組復(fù) 制所 產(chǎn)生的 , 隨 后經(jīng)過 長(zhǎng)期 復(fù)雜的 進(jìn)化 , 在進(jìn)化過程中經(jīng)歷多次基因復(fù)制和丟失事件 , 在葉46at3g1001dml2 和 at2g36490ros1 在結(jié)構(gòu)和功能 綠體基因組 進(jìn)化過程中 發(fā)生過類似 情況 。在禾本上會(huì)發(fā)生變化。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)dme 與 ros1 以及 科醇溶蛋白基因家族進(jìn)化過程中, 不同亞科物種間dml2 位 點(diǎn)之 間存在同源 關(guān)系 , 表明擬 南

36、芥和毛果 的醇溶 蛋白 基因不 存在 線性同 源關(guān) 系, 是 獨(dú)立進(jìn) 282 hereditas beijing 2014 第 36 卷 47行遺傳 。 dna 去甲基化 酶基因dml3 亞家族不 但 ros1d 的表達(dá)量較低。 可見dna 去甲基化酶基因 的 表在單、雙子 葉植物物種 間存在獨(dú)立 遺傳 , 而且在單 達(dá)具有組 另外織 特異性 。 , 與其他組 織 相比, dna 去甲基化酶基 因在水稻胚 乳中的表達(dá) 量較低 , 這與胚子葉植物內(nèi) 部不同亞科 間也是獨(dú)立 遺傳。但是 , 在44乳的dna 甲 基化水平低 于其他組織 相吻合 , 推測(cè)dml4 和 dml5 亞家族中 新鑒定的dn

37、a 去甲基化酶胚乳 中的dna 去甲 基化 酶基 因主 要 參與dna 的被基因卻有 著 非常保守 的 線性同源 關(guān) 系 圖 3 : c, d 。 動(dòng)去甲基 化 。 2.4 dna 去 甲基化酶 基 因的表達(dá) dna 去甲基 化酶基因還 具有時(shí)空表 達(dá)的特異為進(jìn)一步理解 dna 去甲基化酶基因的表達(dá)模性 在擬。 南芥 12 個(gè)不同 組織中的 表 達(dá)顯示, 多數(shù)基式和水平, 本研 究 對(duì) 水稻的 rna 高通量 測(cè) 序 結(jié)果和因的表達(dá) 量 在營(yíng)養(yǎng)生 長(zhǎng) 期隨著播 種 天數(shù)增加 而 升 高擬南芥的 芯 片結(jié)果進(jìn) 行 了分析。 在 水稻的不 同 發(fā) 育圖 4b, 進(jìn)入生殖生 長(zhǎng) 期后, 在雄蕊 和衰

38、老葉片 中階段, 11 種組 織中 dna 去甲基化酶 基 因的表達(dá) 量 差 表達(dá)量下 降 圖 4 : c, d 。然 而 , at5g04560dme 和異明顯, os02g29380dml3a 、os11g16580 dml5 和 at1g05900dml5b 低。 均相對(duì)較 表達(dá) 組織中的 在所有 os01g11900ros1a 的表 達(dá)量 都較高, 而 os01g28860 3 討 論 dml3b 、 os02g29230ros1d 都較低 圖 4a 。大多數(shù) dna 去甲 基化酶基 因 在雌蕊、 花序和 胚 中 的表達(dá) dna 去 甲 基化 酶基 因普遍 存在 于植物 基因 組要明顯

39、高于 其他組織, 只有 2 個(gè)基因 dml3b 和 中 , 本研究 結(jié)果顯示在單子葉、雙子葉植物分化之 圖 4 水稻和擬南芥中 dna 去甲基化酶基因在不同組織中的表達(dá) a :水稻 dna 去甲基化酶在不同發(fā)育階段 11 種組織中的表達(dá) ; b :擬南芥中 dna 去甲基化酶在不同時(shí)期 12 組織中的表達(dá) ; c :擬 南芥葉不同時(shí)期的去甲基化酶基因的表達(dá) ; d擬南芥莖尖不同時(shí)期的去甲基化酶基因的表達(dá)。 : 1 種 7 d 后的根 ; 2 種 7 d 后第一、二片葉 ; 3 :播種 7 d 后的下胚軸 ; 4 :播種 7 d 營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期 后的莖尖 ; 5 :播種 14 d 由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)向生殖

40、生長(zhǎng) 后的莖尖 ; 6 :播種 14 d后的蓮座 ; 7 :播種 17 d 后的第七片葉 靠近葉基的一半; 8 :播種 21 d 后的莖葉 ; 9 :播種 21 d 生殖生長(zhǎng)期 后的莖尖 ; 10 :播種 21 d后的心皮 ; 11 :播種 21 d 后的雄蕊 ; 12 :播種 35 d 后的衰老葉。 :播 :播 第 3 期 劉秋香等 : 被子 植物 dna 去甲基化酶基 因的 進(jìn)化分析 283前至少存 在 4 個(gè) dna 去甲基化酶 類似 基因 ros1 、 而 dna 去甲 基化是一個(gè) 復(fù)雜的過程, 其機(jī)制尚不 清dml3 、 dml4 和 dml5, 其中 新鑒定的 2 個(gè)基 因 楚。目

41、前, 普 遍認(rèn)為dna 去甲基化 的 機(jī)制有 5 種:dml4 和 dml5 雙子 葉植物中 非 常保守 在單、 圖 2a, 依賴dna 去 甲基化酶的 堿基切除修 復(fù)機(jī)制; 堿基切圖 3 : c, d, 表達(dá)量也 較 高 圖 4 : a, b, 表明它 們 除修復(fù)、 甲 基胞苷脫 氨 基耦合g/t 的錯(cuò) 配 切 除修復(fù) 、 49具有重要的 潛在功能, 有待進(jìn)一步 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 在物 水解作用 去 甲基化以 及 氧化去甲 基 化 。在 所有 的18種的進(jìn)化過 程中, dna 去甲基化酶 基因家族存 在著 機(jī)制中, dna 去甲基化酶 是必不可少 的 。 本研究串聯(lián)復(fù)制 、 局部復(fù)制 和 全基因組

42、 復(fù) 制等 3 種復(fù) 制形 首次獲得兩 類dna 去甲 基化酶類似 基因 dml4 和45式 圖 3 。 同時(shí)在ros 和 dml3 組中發(fā) 生過基因 丟 dml5, 它 們 不僅非常保 守 , 而且 表達(dá) 量 都 較 高, 失 , 特別是dml3 , 然而與禾本科中的 醇溶蛋白基 因 雖然目前還 沒有對(duì)其進(jìn) 行相關(guān)研究, 但推測(cè)其具有家族 類似, 在 該基 因丟失 之前 復(fù)制了 同源 基因 圖 相對(duì)保守的 功能。同時(shí), 本文從dna 去甲基化酶 基473b 擬南芥。 ros 家族中 的ros1 、 dml2 和 dme 基 因的結(jié)構(gòu) 、 進(jìn)化、共 線 性和表達(dá) 4 個(gè)方面對(duì)dna 去因是全基

43、因 組復(fù)制所產(chǎn) 生的同源基 因 , 然而由于基 甲基化酶 基因 進(jìn)行探究, 結(jié)果顯示ros1 基因亞家因突變使 得 3 個(gè)基因的 功能都發(fā) 生 了變化, 這是由 族 經(jīng)過多次復(fù) 制 , 產(chǎn) 生基因 的新功能化 和亞功能化 ; 于物種進(jìn) 化 過程中產(chǎn) 生 基因無(wú)功 能 化、新功 能 化 和 這為進(jìn)一步 研究不同dna 去甲基化酶基因的作用 和亞功能化所 致, 也說(shuō)明dna 去甲基化酶基因在進(jìn) 化 機(jī)理提供 了 線索。 44過程中會(huì) 更 加傾向趨 異 進(jìn)化 。 參考文獻(xiàn) 不同的dna 甲基化酶基 因通常會(huì)有不同的甲基化模式, drm2 調(diào)節(jié)chh 位 點(diǎn)的甲基 化, met1 調(diào)節(jié)1 fu y,

44、kawabe a, etcheverry m, ito t, toyoda a, fujiyama 48cg 位點(diǎn)的甲 基化, cmt3 調(diào)節(jié)chg 位 點(diǎn)的甲基 化 , a, colot v, tarutani y, kakutani t. mobilization of a plant transposon by expression of the transposon ?encoded 然而dna 去 甲基化酶基 因卻沒有這 種作用模式, 一anti ?silencing factor. embo j, 2013, 3217: 2407 ?241722些 ros1 偏好 chg 位點(diǎn) ,

45、 而另一 些對(duì)胸 腺嘧啶前doi 27的 cg 也有偏好性 。 dme 基因從 dna 上移 除甲基2 xie mc, hong cb, zhang b, lowdon rf, xing xy, li df, 胞苷, 然后 通過一個(gè)相關(guān)蛋白去甲基化 , 是基 因組zhou x, lee hj, maire cl, ligon kl, gascard p, 印記所必 需 的; ros1 通過去除基 因 啟動(dòng)子區(qū) 域 的甲sigaroudinia m, tlsty td, kadlecek t, weiss a, ogeen h, farnham pj, madden paf, mungall a

46、j, tam a, kamoh 基化阻遏輸 入基因和同 源基因的沉 默, 在 ros1 突變b, cho s, moore r, hirst m, marra ma, costello jf, 體中, 被沉默基因的啟 動(dòng)子區(qū)域的 胞苷發(fā)生高 度甲wang t. dna hypomethylation within specific transposable 21基化 ; dml 主 要作用 于貫 穿整 個(gè)基因 組的 離散的element families associates with tissue ?specific enhancer 局部位點(diǎn)的 甲基化, 而且使得基因 的去甲基化 主要la

47、ndscape. nat genet, 2013, 457: 836 ?841. doi 發(fā)生在 5 端和 3 端。dml 去甲基化 的 位點(diǎn)中, 一些3 macdonald wa. epigenetic mechanisms of genomic 是單 個(gè)dml 起作 用, 另一 些是多個(gè)dml 協(xié)同 起作imprinting: common themes in the regulation of imprinted regions in mammals, plants, and insects. genet res int, 用。在物種 的進(jìn)化過程 中, 目前保留下來(lái)的dna 去2012,

48、 2012: 585024. doi 甲基化酶 基 因均有一 定 的作用 圖 4, 不同dna 去甲4 bala tannan n, brahmachary m, garg p, borel c, 25基化酶基 因 也有共同 的 作用位點(diǎn) , dna 去甲基化alnefaie r, watson ct, thomas ns, sharp aj. dna 酶 基因 的功能 會(huì)隨 著趨異 進(jìn)化 而發(fā)生 變化 , 如 ros1methylation profiling in x;autosome translocations supports a 亞家族中 的ros1 、 dml2 和 dme 發(fā)生

49、 了新功能 化 。role for l1 repeats in the spread of x chromosome dme 是雙 子 葉植物 特有 的dna 去甲 基化酶 基因, 在inactivation. hum mol genet, 2014, 235: 1224 ?123620doi 單子葉植物中不存在 。然而, 在單子葉植物中49, 505 gehring m, bubb kl, henikoff s. extensive deme-ros1 基因有多次復(fù)制 , 因此 , dme 的功能 極有thylation of repetitive elements during seed

50、development 可能被某 個(gè)ros1 基因所替代。 underlies gene imprinting. science, 2009, 3245933: dna 去甲基化酶在表觀 遺傳中有重 要地位, 然1447 ?1451. doi 284 hereditas beijing 2014 第 36 卷 6 zhang h, zhu jk. active dna demethylation in plants 19 mccullough ak, dodson ml, lloyd rs. initiation and animals. cold spring harb symp quant

51、 biol, 2012, 77: of base excision repair: glycosylase mechanisms and 161 ?173. doi structures. annu rev biochem, 1999, 68: 255 ?285. doi 7 zemach a, mcdaniel ie, silva p, zilberman d. genome20 choi y, gehring m, johnson l, hannon m, harada jj, wide evolutionary analysis of eukaryotic dna methyla- goldberg rb, jacobsen se, fischer rl. demeter, a tion. science, 2010, 3285980: 916 ?919. doi dna glycosylase domain protein, is required for endos-8 finnegan ej, kovac ka. plant dna