被子植物DNA去甲基化酶基因的进化分析（可编辑）

1、被子植物dna去甲基化酶基因的进化分析 hereditas beijing 72014 年 3 月 , 363: 276285 /0. 研究报告 被子植物dna 去甲基化酶基因的进化分析 刘秋香, 薛庆中, 徐建红 浙江大学 农业 与生物技 术学 院, 杭州 310058 摘要: dna 甲基 化模式 和水平 取决于 dna 甲基转 移酶和 去甲基 化酶的 作用, 而 dna 去甲基 化酶在 dna 主动去 甲基化 过程中 起到关 键作用 。文章 以已知 的 10 个 dna 去甲 基化酶基 因为参 照, 鉴 定出两 种单子 叶植物 水稻 和高粱 、 两种 双子叶 植物 拟 南芥和 毛果杨 中

2、 所有的 dna 去甲 基化酶 同源基 因, 其 中新鉴 定出两 类 dna 去甲 基化酶 类似基 因 dml4 和 dml5。 基于 保守 的糖苷 酶结构 域序列 的系统 进化分 析以及 基因在 染色体 上的位 置分 析表明, 植物 中 dna 去甲 基化酶 基因存 在串联 复制、 染色体 区段复 制和全 基因组 复制而 导致基 因的新 功能化 和亚功 能化。 文章还 进一步 分析了 dna 去甲基 化酶基 因在不 同组织 中的表 达情况, 旨 在理解 dna 去 甲基化酶 基因的 功能与 进化的 关系, 以期 为 dna 去 甲基化 酶基因 在植物 中的利 用提供 参考。 关键词 : dn

3、a 去 甲基化 酶; 糖 苷酶结 构域; 进化; 基因复制 与丢失; 基因 表达 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基金项目: 国 家重点 基础研 究发展计 划 973 计划 项目 编号: 2010cb126205, 国 家自然 科学基 金项目 编号 : 31171165 和 人事厅 留学回国 基 金项目 编号 : j2

8、0120581 资助 作者简介: 刘秋 香 , 硕士研 究生, 专业 方向: 植物基因 组学。 e-mail: lqxabcxyz163 通讯作者: 徐建 红 , 博士, 研究员 , 研 究方向 :基因组 学与分 子生物学 。e-mail: jhxu/. doi: 10.3724/sp.j.1005.2014.0276 网络出版时间: /. url: 2014-2-17 16:17:48 第 3 期 刘秋香等 : 被子 植物 dna 去甲基化酶基 因的 进化分析 27722,23dna 甲基化是一种重要 的表观遗传 修饰, 参与 甲基化 。如水稻 oryza sativa 中的 ros1b 1

9、, 2 3 4默 子沉 诸如转座 印迹 基因组 、 、 x 色体失活 染 等 dng701 基 因的表达能够调节逆转录转座子tos1724生物学过程 。dna 甲基化能够调节 植物的早期 发育 的 甲基化 水平 , 进 而改变其 转座活 性 。 dml2 和5 6、 基因座 专 一性基因 表 达 。 在高 等 植物中, 有 cg 、 dml3 主 点的dna 定位 组织中特 营养 抑制植物 要是 甲25chg 和 chhh 代表a 、 c 或 t3 种甲基化位点, 其中 基化 dna 糖苷酶的 结构域序 列 进行分析 显 示, 21cg 和 chg 位 点的甲 基化 是直接 调节 基因表 达最

10、 主 ros1 能团的 是双功 dna 酶 糖苷裂解 , 而 dme7 20要的甲基 化 形式 。 功能团 糖 苷 酶 , 但 有研 究也表明 dme 、 dml2 、dna 的甲基 化水 平和 模 式取 决于dna 甲基转 dml3 和 ros1 一样是双 功能团的dna 糖苷裂解酶2628移酶和去 甲 基化酶。 植 物中的甲 基 转移酶主 要 有 甲 。 基转移酶 1met1 、结 构域重排甲 基转移酶drm 在植物 生长 发育和 环境 应答过 程中, dna 去甲8和染色 质甲 基化酶 cmt3 类 , 对应动物 中的 基化能够 激 活一些特 殊 基因的功 能 以及对基 因 组 后9 6

11、, 29dnmt1 、 dnmt3a 和 dnmt3b 。 met1 能维持重 生 状态进 行重 置 , 分为 被动去 甲基 化和主 动 去复和单拷贝dna 序列中 cg 类型的甲基化, 并影 响 甲基化。在dna 复制时, dna 甲基转 移酶的失活 会10形 态特 征、花 期调 控和移 植变 化 ; drm 包括 导致dna 被 动去甲 基化 ; 而与dna 复 制无关 的dnadrm1 、drm2 和 zmet3, 对非对称 位 点的dna 序列 主动去甲基 化则需要dna 去甲基化酶参与, 并且在进行从头甲 基化, 维持失活转座子 及转基因沉 默位 dna 主动去甲基化中 占 主导地位

12、。 dna 主动去甲 基30,31点 的胞嘧 啶甲 基化 , 同时 也能对 与 sirna 同源 的序 化可以阻止内外源基因的转录沉默 , 调节印 迹11,12 24,32列中的胞嘧啶进行从头甲基化 ; cmt 主要维 持 基因和转 座 子的转录 。 ros1 介导的 dna 去 主动13 33chg 和 chh 核苷酸序列中胞嘧啶的甲基化 , 同时 起 引 甲基化可 5s rdna 凝 色质的解 染 , 以及引起植3436也 能对与 sirna 同 源的 序列 的胞嘧 啶进 行从头 甲基 物对生物胁迫和环境胁迫的响应 ; 另外, 还可12化 ; 此外 , 还有通过 met1 维持 cg 甲基

13、化 的 以阻止rna 介导的dna 甲基化。drm2 通过sirnahda6 、通过cmt3 维持 非cg 甲基 化的 suv 家族 、 的装载可以 对整个序列 上的胞嘧啶 cg 、 chg 和14从 头进行dna 甲基 化的nrpd1b 等其他甲 基化酶 。 chh 进行甲 基化, 从而 促使含有同源dna 序列的3740研究表明, met1 、 drm 和 cmt基 因突变 后 可 以引起 基因转录沉 默 。已 有的研究表 明, 当基因的启拟南芥 arabidopsis thaliana 整个基因组 或部分基 因 动子 能够 生 成 24nt 的 sirna 时 , 该基因 就能 被rna

14、1517 14,38,41dna 甲基化水平发生 改 变 。 介导的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 主动去甲 基 化中起到在植物中, 苷酶结构 域。 dna 糖苷酶结 构域是一 种 双 迄重要作用 今为止, 。 植物 dna 去甲 基化酶基 因 的功能团: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 稻和拟南芥 中 , 然而对于其脱 碱基位点裂 开 dna 主链 ; 然后通过dna 碱 基的切 在不同 物种 中的进 化与 线性同 源关 系还不 太清 楚 , 除修复途径dna 聚合酶

15、和连接酶 用 无修饰的胞苷 这在一定 程 度上限制 了 对该基因 家 族的有效 利 用 。18填补碱基 空 位 。 dna 糖苷酶有 两 种: 一 种只 是水 本文选取 已 知的 10 个 dna 去甲基化 酶基因为 参 照, 解碱基和脱 氧核糖之间 的糖苷键, 另一种不仅 水解 通过序列 比 对从水稻高粱、 sorghum bicolor南碱基和脱氧核糖之间的糖苷键, 并且 具有 脱嘌呤 嘧 芥、毛果 杨 populus trichocarpa 基因 组中分别 获 得啶内切核酸酶 的作用, 裂解 dna 主链 的无碱基位点 8 、 6 、 7 、 6 个同源基因, 绝大部分基因在染色体上的1

16、9。 dna 去 甲基化酶 基 因主要 有 4 个家族:dme 、 位 置是线 性同源 的 ; 同 时基于 糖苷酶 保守区 域的氨 基ros1 、 dml2 和 dml3 。 只存在于双子叶植物中的 酸序列构 建 系统进化 树, 探究 dna 去甲基化酶 基 因dme, 通常在雌配子体 的中央细胞 和助细胞中 优先 在高等植物中的进化关系; 水和拟南芥中的基因表20表达, 从而 影 响胚和胚 乳 的发育 , 而 ros1 在植物 达分析表明, 基因的组织特异性表达 与进化密切 相21的所有组 织 中都有表 达 , 它能 抑制 基因启动子的 该研究 有 助于进一 步 关。研究 dna 的主 动

17、去 甲基化、拟为单。对 278 hereditas beijing 2014 第 36 卷 以及 dna 去 甲基化酶 基 因表观调 控 的有效利 用 。 2 结果 与分 析 1 材料 和方 法 2.1 dna 去 甲基化酶 基 因的鉴定 本研究以 拟 南芥和水 稻 中已知的 10 个 dna 去1.1 dna 去 甲基化酶 基 因的鉴定 甲基化酶 基 因的氨基 酸 序列为参 照, 在水稻 高、 粱、双子叶植 物 拟南芥中 有 4 个 dna 去甲基化酶 基拟南芥和 毛 果杨中分 别 找到 8 、 6 、 7 、 6 个 dna 去因: ros1 、 dme 、 dml2 和 dml3; 而单

18、 子 叶 植物水甲基化酶 同 源基因 表 1 在水 稻中新。 鉴定出 2 个基稻中有 6 个 dna 去甲基化 酶基因 : ros1a 、 ros1b 、因 os06g13070 和 os11g16580; 在拟南芥中新鉴 定42,43ros1c 、 ros1d 、 dml3a 和 dml3b 拟水稻、出 3 个基 因 at1g05900 、 at2g31450 和 at3g47830 。南 芥中的 这 10 条 基 因的氨 基酸序 列为 参考 , 以dna 去甲基化酶基因 的 数目在 4 个物 种中相差 不 大?5ee 为 阈值在 jgi 的 phytozome 数据 库仅 02 个 , 表

19、明控制 植 物 dna 主动去甲基化 的 基/. 拟南 高粱、 中寻找水稻 、然而 因数目相 仿。 dna 去 甲基化酶 基 因的氨基 酸 残芥和毛果 杨 的dna 去甲基化酶基 因 的同源基 因 。 基长度却 有 显著差异, 短 序列变幅 在 277 386 个氨1.2 dna 去 甲基化酶 的 系统进化 分 析 基酸, 长 序列为 901 1987 氨基酸。在 水稻、高粱 、拟南芥和 毛 果杨 4 个物种 中 dna 去甲基化酶基 因 以以 dna 去甲 基化酶基因 中最保守的糖苷酶结构长序列居多, 但其短和长 的比例并不相同 , 分别 为域 为对象 , 利用 weblogo 3 软件 /

20、. 3:5 、 1:5 、 2:5 和 2:4 。 dna 去甲基化 酶基因多 数 分threeplusone/create.cgi 获 得糖苷 酶保 守区域 氨布在不同 的 染色体上, 如 拟南芥中 具 有随机性的 。 5基酸序列的logo图。同时 使用clustal x 软件进行多对染色体上均有 dna 去甲基化酶分布, 水稻中序列 联配, 并用 mega5.05 构 建 系统进 化树 , 构建dna 去甲基化酶多数 位 于较长染 色 体1 、 2 、 4 、 5 、方法选用最 大似然法, 采 用最佳的wag 模型, boot-6 上 , 高粱中 则多数分 布 于较短染 色 体6 、 8

21、、 9 、 10strap 值设 为 1000 。 上 , 而毛果 杨 中多分布 在 19 对染色体的 中等长度 染1.3 dna 去 甲基化酶 的 共线性 色体6 、 7 、 8 、 10 上。 dna 去甲基化 酶基因在 染 色体上的分 布 见表 1 。 以所有鉴 定 出的 dna 去甲基化 酶 基因为参 照, 分别选取其 上、下游的 基因, 在水稻、高粱、 拟南2.2 dna 去 甲基化酶 的 系统进化 分 析 芥、毛果杨 基因组中寻 找同源基因, 获得对应的染氨基酸序 列 是酶的一 级 结构, 相对 于碱基序 列色体同源 区 段。 更能反映 不 同 dna 去甲 基化酶基 因 间的关系

22、。 鉴于1.4 水稻和拟南芥dna 去甲基化 酶 的表达 dna 去 甲基化酶 基因全长序 列在不同物 种或同一从 msu 水稻 基因组注释 计划数据库 /. 物种不同家 族中差异较 大, 不适合做进化分析 。因此 , 本研究 选 择其最保 守 的糖苷酶 结 构域 149 个氨/./ 中 获得水 稻不 同发育 阶段 11基酸加以 分 析 图 1 。结 果表明, 该 结 构域由 8 个螺种组 织 dna 去 甲基 化酶基 因的 frkmreads per 旋区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 组成, 而且发现 有 6 个氨基酸 非达值数据rna-seq, frkm 值可以反映基因的表达常保守, 是赖氨酸 们 它 k, 40 位 酸d 天冬氨 、 , 59 位水平。从barthe bio ?analttic resource for plant 酸 和半胱氨 c, 133 140 位、 143 位、 149 位 图 1 。 biology: /. ?bin/efpwebcgi 中获得拟 南芥dna 去 甲基化酶基 因的芯片表 达为揭示高等植物中 dna 去甲基化酶基因的进结果, ms

24、amicroarry suite 表达使用gcos 1.0 软件化关系, 本 研 究采用最 大 似然法构建 dna 去甲基化44affymetrix 估测 , 用微 阵 列 分析工 具 mev 软件酶基因的 分 子系统进 化 树。所有 的 基因分为 4 个亚multiexperiment viewer 得到 基因 表达 的热 图家族:ros1, dml3, dml4 和 dml5, 其中 ros1 和heat-map 。 dml3 亚家族中含有已 知 的 10 个基因, 而 dml4 和位、。以 第 3 期 刘秋香等 : 被子 植物 dna 去甲基化酶基 因的 进化分析 279表 1 水稻、高

25、粱、拟南芥和毛果杨中 dna 去甲基化酶基因的数量、长度和位置 物种 基因数量 基因名称 基因 id 长度 氨基酸 染色体 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 拟南芥 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 毛果杨 6 dmea potri.008g025900 1789 8 1359865 ?1370201 dmeb potri.010g234400 1867 10 21496961 ?21510229 dml4 pot

29、ri.015g071300 306 15 9582514 ?9586447dml5 亚家族中是新 鉴 定的基因 图 2a 。本文发现 基因聚在一 起, 通过全长序列分析 进一步证实 了该在 ros1 亚家 族中, 单子 叶 植物的 ros1 基因都聚 集 结果 图 3c, 但拟南芥 的 dml2 与 ros1 同源性高于与 dml3 基因之间 的 同源性, 推测 dml2 与 ros1在一起, 而 双 子叶植物 的 ros1 则和 dme 基因聚 集可能是同 源 基因。而 在 新鉴定的 dml4 和 dml5 亚在一起。 对 该组基因 全 长氨基酸 序 列分析发 现 双 子家族中 4 个 物种

30、都有 相 应的同源 基 因 图 3a, 表明叶植物中的 dme 与 ros1 基因的同源 性高于与 单 子此两类亚家族基因很保守 , 为此, 根 据序列的同源叶植物 ros1 基因的同 源性 图 2b, 推测双子 叶 植性分别将 其 命名为 dml4 和 dml5 表 1 。 物的 dme 基 因是从 ros1 基因复制 过 来的, 并且 与2.3 dna 去 甲基化酶 基 因的共线 性 分析 单子叶植 物 的 ros1 基 因属同源 基 因。在单 、 双子叶植物 分化 之后, 单 子叶 植物内部 ros1 基因还继为了验证在 系统进化分 析中结果的 可靠性 , 本续复制 产生 新的 ros1

31、 基因, 甚 至水 稻和高 粱从 共研究对所有 的 dna 去甲基化酶基 因在基因组 位置同祖先分 化 之后, 水稻 中的 ros1 基因仍在 复 制水 稻中的 上的共线 性 进行分析 。 os05g37350ros1bros1a 和 ros1b 在 。 dml3 亚家族中 所有的 dml3 和 os05g37410ros1c 是串 联复制 基因 , 这两 个基 280 hereditas beijing 2014 第 36 卷图 1 dna 糖基化酶保守区域 logo 图 横坐标是氨基酸的位置, 纵坐标是氨基酸保守性分值。 图 2 dna 去甲基化酶基因的系统进化分析 a: 基于糖苷酶保守区

32、域的氨基酸序列的系统进化树 ; b : ros1 亚家族基因全氨基酸序列系统进化树 ; c : dml3 亚家族基因全氨基酸序列系统进化树。os: o. sativa; sb: s. bicolor; at: a. thaliana; potri: p. trichocarpa 。因和高粱的 sb09g021920ros1b 是线 性同源基因; 可能被缺 失 或者在水 稻 中获得新 复 制的 os01g11900 水稻 os02g29230ros1d 与高粱的 sb04g019820 ros1a 基因; 同 时高粱 中多 了 sb08g008620 ros1d 是同源基 因 ; 然而在 高粱

33、中却找 不到 ros1e, 从 系统进 化分 析结果 可以 推断该 基因 可能os01g11900ros1a 的线性 同源基 因, 推测 该基 因 是从 sb04g019820ros1d基因复制 得 到的 图 2, 图 第 3 期 刘秋香等 : 被子 植物 dna 去甲基化酶基 因的 进化分析 281 图 3 水稻、高粱、拟南芥和毛果杨中 dna 甲基化酶基因的线性同源关系 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 发现, 在双 子 叶植物中, 拟 南芥的dme 杨分化之前 发生过一次 全基因组复

34、 制 , 这与之前的45基因 at5g04560 与毛果 杨的 dme 基因 dmea, 研究结果 相 一致 。 potri.008g025900 和 dmeb, potri.010g234400 是线 在 dml3 亚家族中 5 个 dml3 同源基因性同 源基 因 图 3a; 而拟 南芥 的 at3g10010dml2 os02g29380dml3a 、 os04g28860dml3b 、基因与at2g36490 ros1 和 potri.006g116000ros1 at4g34060dml3 、 potri.001g150000dml3 和线性同源 图 3a, 暗示毛果杨的dmea 和

35、 dmeb 以及 sb06g029335dml3 之 间不存在线 性同源关系 图拟南芥的dml2 与 ros1 是 由染色体 复 制或者是 全 基 3b, 推测这 是因为dna 去甲基化 酶dml3 基因家 族因组复 制所 产生的 , 随 后经过 长期 复杂的 进化 , 在进化过程中经历多次基因复制和丢失事件 , 在叶46at3g1001dml2 和 at2g36490ros1 在结构和功能 绿体基因组 进化过程中 发生过类似 情况 。在禾本上会发生变化。进一步分析发现dme 与 ros1 以及 科醇溶蛋白基因家族进化过程中, 不同亚科物种间dml2 位 点之 间存在同源 关系 , 表明拟 南

36、芥和毛果 的醇溶 蛋白 基因不 存在 线性同 源关 系, 是 独立进 282 hereditas beijing 2014 第 36 卷 47行遗传 。 dna 去甲基化 酶基因dml3 亚家族不 但 ros1d 的表达量较低。 可见dna 去甲基化酶基因 的 表在单、双子 叶植物物种 间存在独立 遗传 , 而且在单 达具有组 另外织 特异性 。 , 与其他组 织 相比, dna 去甲基化酶基 因在水稻胚 乳中的表达 量较低 , 这与胚子叶植物内 部不同亚科 间也是独立 遗传。但是 , 在44乳的dna 甲 基化水平低 于其他组织 相吻合 , 推测dml4 和 dml5 亚家族中 新鉴定的dn

37、a 去甲基化酶胚乳 中的dna 去甲 基化 酶基 因主 要 参与dna 的被基因却有 着 非常保守 的 线性同源 关 系 图 3 : c, d 。 动去甲基 化 。 2.4 dna 去 甲基化酶 基 因的表达 dna 去甲基 化酶基因还 具有时空表 达的特异为进一步理解 dna 去甲基化酶基因的表达模性 在拟。 南芥 12 个不同 组织中的 表 达显示, 多数基式和水平, 本研 究 对 水稻的 rna 高通量 测 序 结果和因的表达 量 在营养生 长 期随着播 种 天数增加 而 升 高拟南芥的 芯 片结果进 行 了分析。 在 水稻的不 同 发 育图 4b, 进入生殖生 长 期后, 在雄蕊 和衰

38、老叶片 中阶段, 11 种组 织中 dna 去甲基化酶 基 因的表达 量 差 表达量下 降 图 4 : c, d 。然 而 , at5g04560dme 和异明显, os02g29380dml3a 、os11g16580 dml5 和 at1g05900dml5b 低。 均相对较 表达 组织中的 在所有 os01g11900ros1a 的表 达量 都较高, 而 os01g28860 3 讨 论 dml3b 、 os02g29230ros1d 都较低 图 4a 。大多数 dna 去甲 基化酶基 因 在雌蕊、 花序和 胚 中 的表达 dna 去 甲 基化 酶基 因普遍 存在 于植物 基因 组要明显

39、高于 其他组织, 只有 2 个基因 dml3b 和 中 , 本研究 结果显示在单子叶、双子叶植物分化之 图 4 水稻和拟南芥中 dna 去甲基化酶基因在不同组织中的表达 a :水稻 dna 去甲基化酶在不同发育阶段 11 种组织中的表达 ; b :拟南芥中 dna 去甲基化酶在不同时期 12 组织中的表达 ; c :拟 南芥叶不同时期的去甲基化酶基因的表达 ; d拟南芥茎尖不同时期的去甲基化酶基因的表达。 : 1 种 7 d 后的根 ; 2 种 7 d 后第一、二片叶 ; 3 :播种 7 d 后的下胚轴 ; 4 :播种 7 d 营养生长期 后的茎尖 ; 5 :播种 14 d 由营养生长转向生殖

40、生长 后的茎尖 ; 6 :播种 14 d后的莲座 ; 7 :播种 17 d 后的第七片叶 靠近叶基的一半; 8 :播种 21 d 后的茎叶 ; 9 :播种 21 d 生殖生长期 后的茎尖 ; 10 :播种 21 d后的心皮 ; 11 :播种 21 d 后的雄蕊 ; 12 :播种 35 d 后的衰老叶。 :播 :播 第 3 期 刘秋香等 : 被子 植物 dna 去甲基化酶基 因的 进化分析 283前至少存 在 4 个 dna 去甲基化酶 类似 基因 ros1 、 而 dna 去甲 基化是一个 复杂的过程, 其机制尚不 清dml3 、 dml4 和 dml5, 其中 新鉴定的 2 个基 因 楚。目

41、前, 普 遍认为dna 去甲基化 的 机制有 5 种:dml4 和 dml5 双子 叶植物中 非 常保守 在单、 图 2a, 依赖dna 去 甲基化酶的 碱基切除修 复机制; 碱基切图 3 : c, d, 表达量也 较 高 图 4 : a, b, 表明它 们 除修复、 甲 基胞苷脱 氨 基耦合g/t 的错 配 切 除修复 、 49具有重要的 潜在功能, 有待进一步 实验验证。 在物 水解作用 去 甲基化以 及 氧化去甲 基 化 。在 所有 的18种的进化过 程中, dna 去甲基化酶 基因家族存 在着 机制中, dna 去甲基化酶 是必不可少 的 。 本研究串联复制 、 局部复制 和 全基因组

42、 复 制等 3 种复 制形 首次获得两 类dna 去甲 基化酶类似 基因 dml4 和45式 图 3 。 同时在ros 和 dml3 组中发 生过基因 丢 dml5, 它 们 不仅非常保 守 , 而且 表达 量 都 较 高, 失 , 特别是dml3 , 然而与禾本科中的 醇溶蛋白基 因 虽然目前还 没有对其进 行相关研究, 但推测其具有家族 类似, 在 该基 因丢失 之前 复制了 同源 基因 图 相对保守的 功能。同时, 本文从dna 去甲基化酶 基473b 拟南芥。 ros 家族中 的ros1 、 dml2 和 dme 基 因的结构 、 进化、共 线 性和表达 4 个方面对dna 去因是全基

43、因 组复制所产 生的同源基 因 , 然而由于基 甲基化酶 基因 进行探究, 结果显示ros1 基因亚家因突变使 得 3 个基因的 功能都发 生 了变化, 这是由 族 经过多次复 制 , 产 生基因 的新功能化 和亚功能化 ; 于物种进 化 过程中产 生 基因无功 能 化、新功 能 化 和 这为进一步 研究不同dna 去甲基化酶基因的作用 和亚功能化所 致, 也说明dna 去甲基化酶基因在进 化 机理提供 了 线索。 44过程中会 更 加倾向趋 异 进化 。 参考文献 不同的dna 甲基化酶基 因通常会有不同的甲基化模式, drm2 调节chh 位 点的甲基 化, met1 调节1 fu y,

44、kawabe a, etcheverry m, ito t, toyoda a, fujiyama 48cg 位点的甲 基化, cmt3 调节chg 位 点的甲基 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 因却没有这 种作用模式, 一anti ?silencing factor. embo j, 2013, 3217: 2407 ?241722些 ros1 偏好 chg 位点 ,

45、 而另一 些对胸 腺嘧啶前doi 27的 cg 也有偏好性 。 dme 基因从 dna 上移 除甲基2 xie mc, hong cb, zhang b, lowdon rf, xing xy, li df, 胞苷, 然后 通过一个相关蛋白去甲基化 , 是基 因组zhou x, lee hj, maire cl, ligon kl, gascard p, 印记所必 需 的; ros1 通过去除基 因 启动子区 域 的甲sigaroudinia m, tlsty td, kadlecek t, weiss a, ogeen h, farnham pj, madden paf, mungall a

46、j, tam a, kamoh 基化阻遏输 入基因和同 源基因的沉 默, 在 ros1 突变b, cho s, moore r, hirst m, marra ma, costello jf, 体中, 被沉默基因的启 动子区域的 胞苷发生高 度甲wang t. dna hypomethylation within specific transposable 21基化 ; dml 主 要作用 于贯 穿整 个基因 组的 离散的element families associates with tissue ?specific enhancer 局部位点的 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 发生在 5 端和 3 端。dml 去甲基化 的 位点中, 一些3 macdonald wa. epigenetic mechanisms of genomic 是单 个dml 起作 用, 另一 些是多个dml 协同 起作imprinting: common themes in the regulation of imprinted regions in mammals, plants, and insects. genet res int, 用。在物种 的进化过程 中, 目前保留下来的dna 去2012,

48、 2012: 585024. doi 甲基化酶 基 因均有一 定 的作用 图 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 作用位点 , dna 去甲基化alnefaie r, watson ct, thomas ns, sharp aj. dna 酶 基因 的功能 会随 着趋异 进化 而发生 变化 , 如 ros1methylation profiling in x;autosome translocations supports a 亚家族中 的ros1 、 dml2 和 dme 发生

49、 了新功能 化 。role for l1 repeats in the spread of x chromosome dme 是双 子 叶植物 特有 的dna 去甲 基化酶 基因, 在inactivation. hum mol genet, 2014, 235: 1224 ?123620doi 单子叶植物中不存在 。然而, 在单子叶植物中49, 505 gehring m, bubb kl, henikoff s. extensive deme-ros1 基因有多次复制 , 因此 , dme 的功能 极有thylation of repetitive elements during seed

50、development 可能被某 个ros1 基因所替代。 underlies gene imprinting. science, 2009, 3245933: dna 去甲基化酶在表观 遗传中有重 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