拟南芥及水稻转录因子MADS密码子的偏好性比较

浙江大学学报(农业与生命科学版)　

31(5):513～517,2005Journal of Zhejiang U niversity (Agric 1&Life Sci 1)

文章编号:100829209(2005)0520513205

收稿日期:2005201229

基金项目:国家自然科学基金(39870421);浙江省重点研究项目基金(2003C22007);浙江省“04206"工程水稻品种改良项目.

作者简介:李娟(1979—

),女,山东省济南人,从事基因组学方面的研究.通讯作者:薛庆中,男,教授,博士生导师,从事植物遗传育种,基因组学方面的研究.E 2mail :qzhxue @hot https://www.360docs.net/doc/f116319796.html,.

拟南芥及水稻转录因子MADS 密码子的偏好性比较

李娟1,薛庆中1,2

(1.浙江大学沃森基因组科学院,浙江杭州310008;21浙江大学农学系,浙江杭州310029)

摘　要:大多数与花发育相关的功能基因属于MADS 基因家族.应用CodonW 的因子分析表明,拟南芥MADS 转录因子家族偏好使用A 、U 结尾的密码子,而水稻MADS 转录因子家族偏好使用G 、C 结尾的密码子.同时通过氨基酸序列的多重比对,表明密码子偏好性与氨基酸序列及二级结构之间存在关联,证实了不同的密码子编码的氨基酸位于蛋白质二级结构的特定位置.关　键　词:水稻;拟南芥;密码子偏性;转录因子;AU 含量中图分类号:S511 文献标识码:A

L I J uan 1,XU E Qing 2zhong 1,2(1.J ones D.W atson I nstitute of Genome Science ,Zhej iang Universit y ,H angz hou 310008,China ;2.Dept of A g ronom y ,Zhej iang Universit y ,H angz hou 310029,China )

Comparison of MADS transcriptional factor on codon bias in arabidopsis and rice.Journal of Zhejiang University (Agric 1&Life Sci 1),2005,31(5):5132517

Abstract :Most of the flower development 2related f unctional genes are belong to MADS transcription factors families.Through the factorial correspondence analysis (FCA )of CodonW ,we can find out that MADS transcriptional factors in Arabidopsis prefer to A 2ending and U 2ending codons ,while that in rice prefer to G 2ending and C 2ending codons.By using the ClustalX for searching the relation between the bias of the codons and second structure of the MADS ,we confirm that the amino acids coding by different codons are on the special position of the second structure of the proteins.K ey w ords :rice ;arabidopsis ;codon usage bias ;transcriptional factors ;AU content

转录因子是指那些专一性地结合于DNA

特定序列上,能激活或/和抑制其它基因转录的蛋白质.根据DNA 结合功能域结构,他们主要分为:b HL H (碱基性螺旋2环2螺旋)、bZIP (碱性亮氨酸拉链)、homeodomain 蛋白、MADS 2box 蛋白、zinc 2finger 蛋白、Myb 蛋白、A P2/EREBP 蛋白、HSF 蛋白、HM G 蛋白和A T hook 蛋白等[1]. 植物MADS 基因是一个序列特异的调节

基因家族.和其他真核生物转录因子一样

MADS 蛋白由MADS (M )、Intervening (I )、Keratin 2like (K )和C 2terminal (C )等结构域组成,属于结构域蛋白.大多数花发育相关功能基因属于MADS 因子家族[2,3],被子植物的大部分MADS 基因参与花发育的调控[4].不仅在花器官原基分化期表达,在植物其它部位也有表达,且某些MADS 2box 在烟草花粉发育全过程中持续表达[5].同时,MADS 2box 基因家族还

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可能与雄性不育和育性恢复有关[6].因此, MADS2box基因对于高等植物花的发育具有重要意义.

植物基因中不同密码子的出现频率明显不同,同一种氨基酸的不同密码子比率也有差异.禾本科作物基因中同义密码子使用偏性的形成与转录相关突变和翻译水平上的选择有关[7].密码子的使用还与基因编码结构和功能及基因表达有密切的联系[8].但有关转录因子密码子使用及其与基因功能的关系却鲜有报道.本文分别对拟南芥和水稻MADS核苷酸CDS序列密码子偏性及其ORF产物水平进行比较分析,并对MADS的氨基酸序列进行多重比对,试图阐明MADS转录因子家族的密码子用法特点,为进一步研究密码子偏性与氨基酸序列的关系提供信息.

1　材料与方法

1.1　序列数据

由(https://www.360docs.net/doc/f116319796.html,)网站下载得到拟南芥转录因子MADS的CDS序列107条(2004年12月9日).由(http://ricetfdb.bio. uni2potsdam.de/)网站下载得到水稻转录因子MADS的CDS序列68条(2004年12月12日).为计算密码子的平均相对性,及分析数据的精确性,我们利用PERL程序在这两个数据中随机提取注释较好的编码序列进行分析.然后用DNAstar中的Editseq软件对拟南芥和水稻的CDS序列进行整理,寻找ORF序列,按照Editseq的参数,翻译成氨基酸序列,统计各个MADS的CDS序列中A、U、G、C含量.

1.2　密码子使用频率的计算

为避免序列中不同氨基酸含量所造成的偏差,按照Chiapello的方法计算59个密码子中的每种同义密码子的相对使用频率.若某氨基酸在DNA序列中出现N次,并且两个同义密码子1和2分别出现A和B次,则其相对频率分别是A/N和B/N.

1.3　因子相关性分析(FCA)

为检验序列之间密码子使用上的不同,用CodonW软件对随机的编码序列FCA分析产生密码子偏性使用的相关数据.利用行列所建立的图形同时对基因及转录因子两组数据进行分析,比较他们在多维空间的位置.

用PERL程序对所得数据分类整理,并用Excel对整理后的数据作散点图分析.分别从拟南芥和水稻Edit seq翻译得到的氨基酸序列中随机取得10条序列,用ClustalX程序做多序列比对.

2　结果与分析

2.1　拟南芥和水稻中MADS转录因子的密码子碱基组成

拟南芥和水稻转录因子MADS的编码序列中密码子第1、第2和第3各个位点的AU 含量列于表1.由表1可见,在拟南芥中,A、U 含量顺序由大到小分别为第2(6514%)、第3 (5513%)和第1(5119%).而水稻中,却为第2 (5815%)、第1(4113%)和第3(2915%).这两种作物中,密码子第2位A、U含量均为最高,所不同的是A、U最低含量,拟南芥出现在第1位置,而水稻中却是第3位置.同时从总体上比较,拟南芥MADS转录因子家族A、U平均含量(5715%)高于水稻(4311%).

由表2可知,水稻的MADS转录因子较偏好使用G、C结尾的密码子,如:GCC、U GC、GA G、AUC、CUC、CC G和GU G等.拟南芥的MADS转录因子较偏好使用A、U结尾的密码

表1　拟南芥和水稻中MADS转录因子密码子位点的AU含量

Table1　AU composition at each position of codons of arabidopsis and rice MADS transcriptional factors 生物序列数第1位点第2位点第3位点平均Arabidopsis1075119%6514%5513%57140% Rice684113%5815%2915%43108%

注:密码子第1、第2和第3位置的A、U含量是由PERL程序计算得出.而总体上A、U含量是由DANstar统计得到.

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表2　拟南芥和水稻MADS转录因子中59个退化密码子(degerated codons)的平均相对频率Table2　Average relative frequence of t he59degerated codons for arabidopsis and rice MADS transcriptional factors 氨基酸密码子水稻MADS拟南芥MADS氨基酸密码子水稻MADS拟南芥MADS

A GCA0115701257N AAU013601496

A GCC0135201172P CCA0125501305

A GCG0132201164P CCC0121901107

A GCU0116901408P CCG0133701173

C U GC0171801389P CCU011901414

C U GU0128201611Q CAA0132501609

D GAC0159601307Q CA G0167501391

D GAU0140401693R CGA010*******

E GAA0126301471R CGC0126901059

E GA G0173701529R CGG01210106

F UUU0120801551R CGU010*******

F UUC0179201449R A GA0110601358

G GGA011430133R A GG0130501259

G GGC0146301123S UCA0112901181

G GGG0124701169S UCC0127301142

G GGU0114701378S UCG011201103

H CAC0158901318S UCU0111401296

H CAU0141101682S A GC01280113

I AUA0120701228S A GU010*******

I AUC0153101382T ACA0119201279

I AUU012620139T ACC0133501231

K AAA0117801426T ACG0128601169 K AA G0182201574T ACU0118601321 L CU G0129401108V GUA010******* L CUU0113601266V GUC0136701226 L UUA010*******V GU G0141901267 L UU G0111801207V GUU0115701382 L CUA010*******Y UAC0171501441 L CUC0133801187Y UAU0128501559 N AAC016401504

注:表中黑体字表示使用频率最高的密码子.

子,如:GCU、U GU、GAU、GGU、A GA、和CAA等.不过,拟南芥和水稻中也有偏好性一致的氨基酸,即:谷氨酸、赖氨酸和天冬氨酸,他们分别偏好使用GA G、AA G及AAC.

以MADS家族59个密码子第3位的A、C、G、U的平均相对频率作比较,水稻以C结尾的密码子出现次数最多(12个),占6617%,其次是G(6个)占3313%,未出现A和U结尾的密码子.而拟南芥MADS家族结尾的密码子主要是U为13个,占7212%.其余3种结尾的密码子A、G、C出现概率相差不大,分别是2、2、1.由此可见,双子叶植物拟南芥和单子叶植物水稻的MADS转录因子对密码子的选择有很大的差别.

212　拟南芥和水稻MADS转录因子密码子的使用

MADS转录因子FCA1,2两轴的分析结果表明,水稻MADS转录因子中,A、U结尾的密码子与G、C结尾的密码子明显分开,G、C结尾密码子距离中心较近,G、C含量相对较高(图1).而拟南芥MADS转录因子中,A、U结尾的密码子几乎都集中在中心附近,G、C结尾密码子却较为分散.表明较偏好使用A、U结尾的密码子.

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图1　拟南芥和水稻MADS 转录因子的FCA 分析

Fig.1　FCA analysis of MADS transcriptional factors

213　拟南芥和水稻MADS 转录因子结构域的

序列比对

图2结果显示,拟南芥和水稻MADS 结构域多位于N 端,具有一致的氨基酸序列为M 2R (2)7I (2)5R (2)2T (2)2KRR 2G L 2KA (2)5LC (图2).其中最保守的是两个强碱性残基(K 、R )和一个疏水性残基(L ),且有3个MADS 磷酸化位

点,即丝氨酸残基(S ),它们在20%～35%(427/20)序列中被其它残基取代.而在MADS 蛋白的下游I 结构域有31～35个氨基酸,其保守性较差.K 结构域虽然是植物转录因子的所特有结构,在动物和真菌中缺乏,但是其保守性也较差.C 结构域位于MADS 的C 端,不仅长度变化很大,且保守性也极差(本图未显示)

.

图2　水稻和拟南芥MADS 氨基酸多序列联配

Fig.2　Alignment of t he deduced amino acid sequences of rice and arabidopsis MADS

3　讨　论

业已报道,G +C 含量在其同义密码子使

用偏性的产生方面占有较大的优势,其密码子使用偏性产生主要与转录水平上的突变有关[10].MADS 属于拟南芥和水稻转录因子家族中较大的一个家族.对MADS 转录因子家族CDS 序列的CodonW 与Edit seq 分析发现,拟南芥中偏好使用以A 、U 结尾的密码子,且在整个CDS 序列中A +U 含量也远远大于G +

C.相反,水稻中A +U 含量明显低于G +C.由

此推测,基因编码区碱基组分(G +C )含量似乎对同义密码子的偏性发生影响.这一点也存在于其它生物中,但影响程度不同,如:普通小麦、大麦、玉米等禾本科植物中G +C 含量与密码子偏性指标呈高度正相关;而烟草却呈显著负相关,相关系数较小. 同义密码子的使用究竟是由突变偏性或翻译选择产生,还是两者共同作用产生,迄今结论不甚一致[11].笔者对MADS 随机序列的翻译

6

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机制研究发现,拟南芥和水稻的ORF序列的密码子使用不同,但这些序列翻译后保守结构域的氨基酸组成仍基本上一致,暗示在MADS 中与翻译选择有一定的关联.这与Wong等的结果吻合[7],他指出禾本科作物在5π2U TR和编码区连接的地方,存在着G/C梯度、密码子偏性及氨基酸使用偏性.笔者还发现,拟南芥和水稻谷氨酸、赖氨酸及天冬氨酸都偏好使用相同的密码子,暗示不同的氨基酸组成对密码子的使用也有一定的影响.

mRNA中稀有密码子的使用与蛋白质结构域的连接区和规则二级结构单元连接区有关,翻译速率在连接区会降低[12],密码子使用可能对蛋白质二级结构的形成有影响[13～15]. Oresic[16]等发现,AAC编码的Asn一般位于β2折叠的C末端,而GAU编码的Asp多数位于α2螺旋的N端.基因密码子的使用与基因表达的生理功能有着密切的联系[8,9].Adxdubei[13,14]发现L EU、VAL、G L Y、PRO、G L U、P H E、IL E、SER、T HR等9种氨基酸的同义密码子之间在二级结构的分布上有显著差异,从而得出简并密码子的第三位带有蛋白质三维结构信息的结论.不同三级结构蛋白质的编码基因分成不同的类,而具有相似三级结构蛋白的编码基因则大致聚集在同一类中,从而证明基因密码子偏性与蛋白质三级结构间具有密切的相关性[17].虽然本文对MADS的随机序列做了多重序列比对,每条MADS的氨基酸序列都是以A T G 编码的Met开头,但是关于MADS基因密码子偏好使用对其MADS保守结构域的影响及其蛋白质所携带信息的影响还有待进一步研究.

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