魏 磊,柳建國,劉 芳,諸立新
線粒體基因組(mitochondrial genome,mtDNA)是核外遺傳物質(zhì),具有分子小、結(jié)構(gòu)緊湊、演化快速、種間差異大、種群內(nèi)穩(wěn)定性高、母系遺傳及無重組等特性[1-3]。近年來,線粒體全基因組序列比較分析作為一種基因進化的模式已被廣泛地應(yīng)用于分子動力學(xué)、比較遺傳學(xué)、物種進化和系統(tǒng)關(guān)系的研究[4]。
貓科動物的線粒體是一種雙鏈DNA分子,含有13個左右的蛋白編碼基因、2個rRNA和22個tRNA基因。在線粒體基因組所編碼的37個基因中,NADH 2、NADH 4、12/16SrRNA、Cyt b和D-loop區(qū)等材料相繼被用于貓科動物的系統(tǒng)學(xué)研究[5-6]。全球現(xiàn)存37種動物貓科動物(Felidae),而線粒體全序列測序的物種較少,因而補充該類群線粒體全序列有利于正確地解決其存在的系統(tǒng)發(fā)育問題。本文測定了豹(Panthera pardus)、虎(Panthera tigris)和雪豹(Panthera uncia)線粒體基因組全序列,并與貓(Felis catus)、獵豹(Acinonyx jubatus)和云豹(Neofelis nebulosa)線粒體基因組全序列進行比較分析,為貓科動物線粒體譜系基因組學(xué)的研究提供新的數(shù)據(jù)資料。
用線粒體萃取試劑盒(GENMED Scientifics Inc.,USA)抽提與萃取線粒體DNA。根據(jù)Gen-Bank已公布的家貓、獵豹和云豹線粒體基因組全序列及虎的部分線粒體基因組序列,利用Oligo 6.0軟件設(shè)計出34對引物。PCR反應(yīng)都在PTC-200型DNA擴增儀上進行。反應(yīng)總體系為30μL,其中含有10mmol Tris-HCl(pH 8.3),50mmol KCl,1.5mmol MgCl2,100μmol dNTPs,引物各0.25μmol,1UTaq DNA 聚合酶,總DNA約25ng。反應(yīng)程序為:94℃變性45s,52~60℃復(fù)性50s,72℃延伸50s,共進行32個循環(huán)。循環(huán)前95℃預(yù)變性5min,循環(huán)后繼續(xù)延伸7min。擴增得到的PCR產(chǎn)物于1%瓊脂糖電泳檢測。
擴增得到的PCR產(chǎn)物用DNA凝膠回收試劑盒回收后,送上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司進行雙向測序。測序得到的序列通過DNASTAR(2001)、Clustal X(1.8)和測序峰圖結(jié)果分析軟件 Chromas 2.22分析,經(jīng)人工校正、BLAST 比對后拼接,最后得到豹、虎和雪豹線粒體控制區(qū)的全部序列,GenBank序列檢索號分別EF551002、EF551003和EF551004。從GenBank獲取貓(NC-001700)、獵 豹 (AY463959)和 云 豹(DQ257669)線粒體全序列[7-9],用 ClustalX 軟件對貓、獵豹、豹、虎、雪豹和云豹線粒體全序列進行比對,用 MEGA 3.0統(tǒng)計線粒體基因組堿基組成,蛋白質(zhì)基因密碼子使用頻率,使用DNAsis模擬tRNA的二級結(jié)構(gòu)。
貓、獵豹、豹、虎、雪豹和云豹線粒體全序列全長分別為17009 、17011、16964、16990、16773和16844bp。線粒體基因組與其它脊椎動物相似,由13個蛋白編碼基因、22個tRNA,2個rRNA、一個非編碼的控制區(qū) (D-loop)和一個輕鏈復(fù)制起點(OLR)所組成。除 NADH6和tRNAGln、tRNAAla、tRNAAsn、tRNACys、tRNATyr、tRNASer(UCN)、tRNAGlu、tRNAPro在 L-鏈(light strand)上編碼之外,其余基因均在 H-鏈(heavy strand)編碼?;蚺帕芯o密,每個物種的線粒體基因存在8~10處的基因重疊,其中重疊堿基較多的是ATPase 8和ATPase 6基因,重疊范圍在41~43bp;基因間隔8~11處,大小在1~25bp之間,基因間隔最大的是在雪豹線粒體COIII~tRNAGly之間,間隔長度為25bp。
6種貓科動物線粒體基因組的整個堿基組成中,堿基含量的大小排列是A>T>C>G。A-T含量比G-C含量高,而且AT偏斜也比GC偏斜高。13種蛋白質(zhì)編碼基因、22種tRNA基因、2種rRNA基因和D-loop區(qū)的詳細的堿基組成分析被列于表1中。在蛋白質(zhì)編碼基因第一密碼子中,豹和貓 A的含量偏低,分別為22.5%和27.3%,略低于整個線粒體基因組A的平均含量(31.8%);貓、獵豹、云豹、虎和雪豹的含量遠高于整個線粒體基因組G的平均含量;在蛋白質(zhì)編碼基因第二密碼子中,豹T的含量偏低,分別為22.6%,而貓、虎、雪豹、獵豹和云豹T的含量分別為32.0%、40.4%、40.1%、38.7%和41.6%,表現(xiàn)出對T的偏好;特殊的是在第二密碼子中,只有豹G的含量低,為8.1%,其它的則基本一致;第三密碼子在堿基使用上也出現(xiàn)較大的差異,云豹和豹G的含量較高,分別為25.1%和19.2%,高于整個線粒體基因組G的平均含量,而其它4個物種G的含量則低于整個基因組G的含量(表1)。
表1 6種貓科動物線粒體基因組不同部分的核苷酸組成
2.3.1 蛋白質(zhì)編碼基因密碼子使用
在6種貓科動物mtDNA的蛋白質(zhì)編碼基因中,NADH1、NADH4L、ND4、COI、COII、ATP6、ATP8和Cytb的起始密碼子為 ATG,云豹的ND6的起始密碼子也是ATG;雪豹的COIII是以ATA為起始密碼子的。NADH3和NADH5的起始密碼子為ATA;貓、豹、虎和雪豹ND2的起始密碼子為ATC,而云豹和獵豹ND2的起始密碼子為ATT;豹、虎、雪豹、貓和獵豹的Cyt b起始密碼子為ATG,只有云豹Cyt b基因較例外,起始密碼子為ATA。在終止密碼子 的 使 用 上,ND4L、ND5、ND6、COI、COII、ATP6和ATP8都以TAA為終止密碼子;除獵豹的ND1以TA終止,其它五個物種的ND1也是以TAA為終止密碼子的。六種貓科動物ND2和ND4都以單一密碼子T為終止密碼子,ND3都以TA為終止密碼子;雪豹的COIII基因較為特殊,以TAA終止,其它五個物種的COIII基因是以T終止的(表2)。6種貓科動物的13種蛋白編碼基因的密碼子使用和氨基酸分布模式大多數(shù)是相類似的。只在UUC、UUU、CUC、AUC、AUU、UCU、CCG、ACA、UAA、UAG這些密碼子的使用上有明顯的區(qū),豹和貓使用CUC分別為35和57次,約為其它四個物種的三分之一到二分之一;豹使用UCU、UAA和UAG分別為113、106和151次,顯著的高于其它五個物種(表3)。
表2 6種貓科動物13種蛋白編碼基因起始/終止密碼子使用比較
表3 6種貓科動物13個線粒體蛋白編碼基因的密碼子使用
續(xù)表
2.3.2 基因的編碼方式及遺傳密碼
所有22個tRNA基因及其反密碼子都在6種貓科物種中發(fā)現(xiàn),基因的編碼方式與核基因不同,基因的起始和終止采用極為壓縮的方式進行連接,有時甚至重疊好幾個堿基。遺傳密碼系統(tǒng)與核基因的標準密碼有些不同,在這些遺傳編碼中,TAG編碼色氨酸(Trp)而不是終止密碼子;密碼子ATA編碼了甲硫氨酸(Met)而不是異亮氨酸(Ile);AGA作為終止密碼子再現(xiàn),而不是編碼精氨酸(Arg),這些都不同于核基因組中的密碼子利用。
虎、豹、雪豹、云豹、獵豹和貓線粒體12SrRNA基因位于tRNAPhe和tRNAVal之間,核苷酸序列總長度分 別 為 960、959、960、958 960 和 960bp;16S rRNA位于tRNAVal和tRNALeu(UUR)之間,核苷酸序列總長度分別為1575、1572、1580、1573、1572和1574bp。統(tǒng)計分析顯示,盡管序列的堿基組成呈現(xiàn)A-T的偏異,但A與G的含量遠高于整個線粒體基因組A和G的平均含量。
虎、豹、雪豹、云豹、獵豹和貓線粒體基因組都有22個tRNA,長度在58~77bp之間,最長的是tRNALeu(UUR))基 因,最 短 的 是tRNASer(AGY)基 因。預(yù)測的tRNA二級結(jié)構(gòu)顯示,除tRNASer(AGY)與其它脊椎動物一樣為二葉草結(jié)構(gòu),缺失了“DHU”臂[10,11]以外,其余均為典型的三葉草結(jié)構(gòu),二級結(jié)構(gòu)包括6~8bp的氨基酸接受臂,2~5bp的TΨC臂,5~7bp的反密碼子臂,4~6bp的二氫尿嘧啶臂 (DHU臂)。tRNA折疊除了有正常的堿基配對外,還有G+T配對(圖1)。在形成三葉草狀二級結(jié)構(gòu)的tRNA中,tRNASer(AGY)的“DHU”臂缺失現(xiàn)象較為普遍,脊椎動物在tRNASer(AGY)上都缺失“DHU”臂[12];而且在有袋類動物北美負鼠(Didelphisvirginiana)的tRNALys基因上也表現(xiàn)出“DHU”臂的缺失[13]。
圖1 線粒體基因組tRNA的二級結(jié)構(gòu)示意圖(以豹為例)
虎、豹、雪豹、貓、獵豹和云豹的輕鏈復(fù)制起始(OLR)都是位于tRNAAsn和tRNACys之間,長度在32~39bp間,并不一致。OLR區(qū)域可以折疊成一個熱力學(xué)上穩(wěn)定的莖環(huán)二級結(jié)構(gòu),莖由11個核苷酸對組成,環(huán)由14個核苷酸組成,組成環(huán)的核苷酸在重鏈上以Poly(T)為主。涉及由RNA合成轉(zhuǎn)變成DNA合成的特殊片段5’-GCCGG-3’[14],在貓、獵豹、云豹、虎、豹和雪豹是完全保守的,與人的一致。OLR的莖長度完全相同,其中貓、獵豹、云豹和雪豹享用tRNACys基因的4個堿基,其在基部的11對核苷酸序列與其他脊椎動物線粒體基因組一樣是高度保守的,而環(huán)的序列變異較大(圖2)。
圖2 6種貓科動物線粒體基因輕鏈復(fù)制起始區(qū)的二級結(jié)構(gòu)。圖中為重鏈序列;方框的序列表示RNA合成到DNA的合成的轉(zhuǎn)變.
6種貓科動物mtDNA的控制區(qū)位置在tRNAPro和tRNAPhe之間,長度略有變化,但與哺乳動物的D-loop區(qū)長度相似,都在1.5kb左右??刂茀^(qū)在結(jié)構(gòu)組成上是線粒體基因組中變化最大的區(qū)域。參考Kim等[15]的研究結(jié)果,預(yù)測了6種貓科動物線粒體控制區(qū)(D-loop)的結(jié)構(gòu),包括左域(Leftdomain)、中間保守區(qū)(conserved sequenceblocks,CSB)以及右域(Rightdomain)的位置,確定了高變區(qū)(HVS)、重復(fù)序列區(qū)(RS)。在6種貓科動物的D-loop區(qū)內(nèi)存在一些微衛(wèi)星序列和重復(fù)序列(表4)。
表4 6種貓科動物線粒體基因組控制區(qū)的比較
貓科動物線粒體全基因組包括13個蛋白編碼基因,22個tRNA基因,2個rRNA基因和一個控制區(qū) (D-loop)。與其他的脊椎動物的mtDNA一樣,大多數(shù)基因在重鏈(H鏈)編碼,只有ND6和8個tRNA基因在輕鏈(L鏈)編碼。堿基含量的大小排列是A>T>C>G,A-T含量比G-C含量高,而且AT偏斜比GC偏斜高。
貓科動物線粒體基因組共有13個蛋白質(zhì)編碼基因中,除ND6基因由L鏈編碼外,其余的均由H鏈編碼,沒有發(fā)現(xiàn)內(nèi)含子,有些基因與其他基因存在少許重疊。在起始密碼子的使用上和大多數(shù)脊椎動物線粒體編碼基因常用的起始密碼子是同源的[16]。在大多數(shù)的脊椎動物中,COI基因是以GTG為起始密碼子的,而Boore等[17]認為COI基因起始端只有GTG,沒有其它的起始形式?;趯ω埧苿游飉tDNA的研究和以前的結(jié)果,說明COI基因起始密碼子除GTG外,還有ATG[18,19]。據(jù)目前不完全統(tǒng)計,脊椎動物 mtDNA編碼基因的起始密碼子種類有ATG、GTG、ATA、ATC、ATT和 ACA,在使用頻率上,ATG約占95%以上。在終止密碼子的使用上也與大多數(shù)哺乳動物的終止密碼子使用情況類似[20]。一些研究認為,不完全終止密碼子(T或TA)是由轉(zhuǎn)錄后的 mRNA3’端的PolyA補齊[21],因而貓科動物線粒體基因組中的不完全終止密碼子T或TA應(yīng)補齊為TAA。終止密碼子AGA在六種貓科動物的Cyt b基因中出現(xiàn),這種終止方式也分別在人和牛的 COI和 Cyt b基因中出現(xiàn)[10,22];此結(jié)果說明哺乳動物線粒體Cyt b基因的終止密碼子傾向使用AGA,有別于其它類群。
通常認為,哺乳動物線粒體蛋白質(zhì)編碼基因密碼子的第三位點AT偏向性尤其明顯,在6中貓科動物中,豹在第一位點上表現(xiàn)出比其他5種動物更加明顯的AT偏向性,這種現(xiàn)象在其它物種中是較少為見的。尤其是第二位密碼子的堿基含量波動較大,A和C遠高于整個線粒體基因組A和C的平均含量,而G的含量遠低于整個線粒體基因組G的平均含量。第三密碼子在堿基使用上也出現(xiàn)較大的差異,G的含量遠高于整個線粒體基因組G的平均含量。該結(jié)果表明線粒體基因組中堿基變化主要由密碼子第二、三位堿基變化造成。
以貓線粒體基因組中的12/16SrRNA基因的核苷酸序列作對比序列,結(jié)果顯示,虎與貓相比有119堿基位點轉(zhuǎn)換、19堿基位點顛換;豹與貓相比有119堿基位點轉(zhuǎn)換,25堿基位點顛換;雪豹與貓相比有113堿基位點轉(zhuǎn)換,26堿基位點顛換;云豹與貓相比有112堿基位點轉(zhuǎn)換,24堿基位點顛換;獵豹和貓相比126堿基位點轉(zhuǎn)換,21堿基位點顛換。分析結(jié)果顯示,虎與雪豹、豹的2個rRNA基因的同源性最高,分別為95%和94.7%,與貓的同源性次之,為93.6%;與云豹的同源性較低為93.4%,與獵豹的同源性最低為93.2%。說明12/16SrRNA基因有較高的保守性。
在tRNAAsn和tRNACys之間存在相當于輕鏈復(fù)制起始的發(fā)夾結(jié)構(gòu),tRNA序列變異主要發(fā)生在環(huán)區(qū),莖區(qū)相對保守。其中一些變異如雙鏈的互補性堿基突變、G-T配對等在所預(yù)測的貓科動物tRNA二級結(jié)構(gòu)中都有出現(xiàn),大部分堿基對符合Wasten-Click配對原則,另有一些GT變偶堿基對符合G-T擺動配對原則,這對于維系tRNA二級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起到非常重要的作用。一些學(xué)者認為線粒體基因組tRNA基因的部分錯配可以通過RNA自我剪切來恢復(fù)基因的功能,不會引起氨基酸轉(zhuǎn)運上的障礙[23]。關(guān)于tRNASer(AGN)基因缺少DHU臂,這種情況在脊椎動物線粒體中比較常見。tRNASer(AGN)基因均缺少DHU臂的長度由低等無脊椎動物到高等脊椎動物逐漸變短。對哺乳動物這類tRNA的研究表明,它們可以形成潛在的L型結(jié)構(gòu)以維持反密碼子與CCA接受臂之間的距離[24],tRNA轉(zhuǎn)運特定氨基酸的功能及其L形的三級結(jié)構(gòu)主要由氨基酸臂和反密碼子環(huán)決定,而TΨC環(huán)和DHU環(huán),及其相應(yīng)的臂,似乎不會抑制tRNA 的功能[25,26]。
6種貓科動物的D-loop區(qū)的長度略有變化,但與哺乳動物的D-loop區(qū)長度相似,都在1.5 kb左右,但與某些脊椎動物,如兩棲類無尾目的澤蛙、黑斑蛙和非洲爪蟾的D-loop區(qū)差別較大(2kb以上)。從表4可看出6種貓科動物的D-loop區(qū)的長度并不一致。其原因主要出現(xiàn)在HVS-1、HVS-2和RS-3區(qū)域的變化上:在HVS-1區(qū),貓和獵豹的序列較長,而虎、雪豹、豹和云豹的序列則較短,分別比貓少66、119、133和189bp,比獵豹少94、138、145和200bp;在RS-3和HVS-2區(qū),虎、豹和云豹的序列較長,而貓、獵豹和雪豹的序列則較短,分別短66~149bp。6種動物在D-loop區(qū)都有許多串聯(lián)重復(fù)單元,但拷貝數(shù)及每一重復(fù)單元的長度并不一樣,但6種動物的重復(fù)序列間有著較高的相似性(表4)。這表明它們可能有著共同的起源。關(guān)于重復(fù)序列的生物學(xué)功能有兩個主要的觀點:一種觀點認為,重復(fù)序列可能在線粒體DNA的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄過程中起到一定的 調(diào) 控 作 用[27,28];然 而 Casane 等[29]認 為不具有生物學(xué)功能,是一些冗余序列。這兩種觀點還有待于進一步的探討。至于重復(fù)序列產(chǎn)生的機制,目前認為是由于鏈的滑動錯配所導(dǎo)致[30,31]。另外,貓、獵豹、云豹、虎、豹、雪豹線粒體控制區(qū)的CSB—1、CSB—2區(qū)堿基序列與完全一致。在CSB—3區(qū),豹、雪豹完全相同,虎與之有一個堿基的差異(堿基G);云豹與家貓、獵豹相比存在4個堿基的差異,云豹在此區(qū)域存在4個堿基變異的現(xiàn)象,在貓科物種中極為少見,因此,這三個區(qū)域的生物學(xué)功能還有待于進一步探討。
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