王露甘,蘇國連,李正躍,和淑琪

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院農(nóng)業(yè)生物多樣性與病蟲害控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南省農(nóng)業(yè)生物多樣性利用與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650201)

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節(jié)肢動物中PGI蛋白編碼序列的結(jié)構(gòu)分析

王露甘,蘇國連,李正躍,和淑琪*

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院農(nóng)業(yè)生物多樣性與病蟲害控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南省農(nóng)業(yè)生物多樣性利用與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650201)

[目的]探究節(jié)肢動物中PGI蛋白編碼序列的相關(guān)規(guī)律。[方法]對Genbank中已報(bào)道的節(jié)肢動物PGI蛋白編碼序列進(jìn)行初步分析。[結(jié)果]節(jié)肢動物中PGI蛋白編碼序列均以ATG作為起始密碼子，終止密碼子有3種類型，主要以TAA為主；膜翅目、同翅目、虱目的人體虱、直翅目的維特勒蟋及甲殼綱的大型蚤與鮭瘡痂魚虱等序列中AT含量較高，達(dá)54.3%～69.6%，鞘翅目的赤擬谷盜與中歐山松大小蠹的序列中GC含量較高，為50.6%～51.9%；PGI蛋白編碼序列長度存在較大差異，介于255～1 800 bp；組成Pgi基因的外顯子數(shù)目從甲殼綱大型蚤到昆蟲綱各目呈減少趨勢，且各外顯子大小在同一目中具有一定的相似性；蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域分析顯示，節(jié)肢動物PGI蛋白質(zhì)中普遍含有2個(gè)糖異構(gòu)酶結(jié)構(gòu)域，且各結(jié)構(gòu)域的長度范圍在不同種類中相近。[結(jié)論] 為進(jìn)一步探究PGI作為節(jié)肢動物適應(yīng)性分子標(biāo)記的機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。

節(jié)肢動物；PGI蛋白編碼序列；結(jié)構(gòu)分析

6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶(Phosphoglucose isomerase，PGI)，是一種重要的多功能酶，在糖酵解途徑中起著重要的催化作用[1]。編碼該蛋白的基因型具有普遍的多態(tài)性，在原核生物及真核生物中普遍存在，且其多態(tài)性變化通常具有顯著的基因型功能及適應(yīng)性差異[2-3]。該基因型的多態(tài)性同時(shí)受到自然選擇的強(qiáng)烈影響，可作為反映環(huán)境條件影響昆蟲種群動態(tài)以及昆蟲對環(huán)境條件適應(yīng)能力的重要遺傳標(biāo)記之一[4-5]。Rank等[6]研究表明，不同緯度采集到的葉甲Chrysomelaaeneicollis種群，其PGI的基因型存在較大差異，高緯度種群以等位基因1為主，而地位低種群以等位基因4為主。Karl等[7]在灰蝶Lycaenatityrus的研究中也發(fā)現(xiàn)，不同海拔下L.tityrus的PGI基因型表現(xiàn)顯著差異性，其中高山種群以Pgi2-2基因型為主，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗寒能力，需要相對較長的發(fā)育時(shí)間；而低海拔種群主要以Pgi1-1、1-2、1-3等基因型為主，抗寒能力較弱。研究還表明，PGI基因的多態(tài)性表達(dá)與昆蟲種群的適生性密切相關(guān)，這在蝶類研究中也得到了證實(shí)。具有不同PGI基因型的苜蓿黃蝶個(gè)體，其產(chǎn)卵力[8]、雄蟲交配成功率[9]等具有顯著差異；不同PGI基因型的灰蝶個(gè)體具有不同的生活史特征，如幼蟲和蛹的發(fā)育時(shí)間，受寒過后的恢復(fù)時(shí)間，蛹的重量[7，10]，生長速率，以及對幼蟲其食物壓力的反應(yīng)能力[11]等都隨PGI基因型的不同而存在顯著性差異。

筆者以PGI蛋白編碼序列作為分子標(biāo)記，對節(jié)肢動物中已報(bào)道的PGI蛋白編碼序列進(jìn)行比較分析，從而找出PGI蛋白編碼序列在節(jié)肢動物中的相關(guān)規(guī)律，為進(jìn)一步探究PGI作為節(jié)肢動物適應(yīng)性分子標(biāo)記的機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 節(jié)肢動物PGI蛋白編碼序列的構(gòu)建從Genbank中下載已報(bào)道全長的所有節(jié)肢動物PGI編碼序列，共236條序列。其中，甲殼綱動物3條；蜱螨目2條；昆蟲綱鱗翅目188條，雙翅目25條，膜翅目12條，同翅目2條，虱目1條，直翅目1條，鞘翅目2條。所有序列的信息見表 1。

1.2 序列比對及分析將Pgi基因mRNA全序列導(dǎo)入MEGA5.0軟件中，進(jìn)行排列比對，比較Pgi基因編碼序列的長度及外顯子個(gè)數(shù)等信息；利用NCBI Blast程序分析蛋白序列的結(jié)構(gòu)特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 節(jié)肢動物PGI蛋白編碼序列的比較

2.1.1密碼子類型。PGI蛋白質(zhì)的起始密碼子都為ATG，終止密碼子主要以TAA為主，以TGA和TAG作為終止密碼子的種類較少。僅鱗翅目的家蠶Bombyxmori、直翅目的維特勒蟋Gryllusveletis、虱目人體虱Pediculushumanuscorporis以TGA為終止密碼，而肩突硬蜱Ixodesscapularis、轉(zhuǎn)基因捕食螨Metaseiulusoccidentalis、中歐山松大小蠹Dendroctonusponderosae、岡比亞按蚊Anophelesgambiae、果蠅屬的擬暗果蠅Drosophilapseudoobscura、Drosophilapseudoobscura、Drosophilamojavensis、Drosophilapersimilis以TAG為終止密碼。

2.1.2PGI蛋白質(zhì)編碼序列堿基含量。節(jié)肢動物中PGI蛋白質(zhì)編碼序列堿基組成含量存在較大差異。AT堿基偏好性(AT含量大于50%)以膜翅目、同翅目、虱目的人體虱Pediculushumanuscorporis、直翅目的維特勒蟋G.veletis及甲殼綱的大型蚤Daphniamagna與鮭瘡痂魚虱Lepeophtheirussalmonis等表現(xiàn)明顯，含量為54.3%～69.6%，而鱗翅目、雙翅目及蜱螨目中AT與GC含量在不同種類間高低無序，而鞘翅目的赤擬谷盜Triboliumcastaneum與中歐山松大小蠹D.ponderosae則表現(xiàn)出較強(qiáng)的GC堿基偏好性，達(dá)到50.6%～51.9%。

表1 節(jié)肢動物PGI蛋白編碼序列堿基含量

2.1.3編碼序列長度比較。目前已知的236條Pgi基因mRNA全序中，PGI蛋白編碼序列長度存在較大差異，其中，最長的為鞘翅目的赤擬谷盜T.castaneum1 800 bp(包含終止密碼子，下同)，編碼599 aa；最短的為甲殼動物亞門橈足綱的鮭瘡痂魚虱L.salmonis，僅有255 bp，編碼84 aa。最長序列與最短序列之間相差1 545 bp。在研究最多的昆蟲綱種類中，序列長度主要分布在1 632～1 686 bp，最短的是鱗翅目的柑橘鳳蝶PapilioxuthusPGI蛋白序列，為810 bp。

2.1.4PGI蛋白編碼序列結(jié)構(gòu)比較。對節(jié)肢動物各種類PGI蛋白編碼序列結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，組成Pgi基因的外顯子數(shù)目在不同目之間存在較大差異，且從甲殼綱大型蚤Daphniamagna到昆蟲綱各目，外顯子的數(shù)目呈減少趨勢，而各外顯子大小在同一目中具有一定的相似性(表 2)。在甲殼綱大型蚤D.magna中，Pgi基因的外顯子數(shù)目最多，為14個(gè)；其次為昆蟲綱的鱗翅目昆蟲，由12個(gè)外顯子組成；膜翅目昆蟲為11個(gè)外顯子；同翅目(豌豆長管蚜Acyrthosiphonepisum)和虱目(人體虱Pediculushumanuscorporis)各為10個(gè)外顯子；鞘翅目赤擬谷盜的外顯子數(shù)目為6個(gè)；雙翅目的果蠅類由5個(gè)外顯子組成，而蚊類則包含4個(gè)外顯子。昆蟲綱各目中多數(shù)昆蟲的Pgi基因全長差異不大，因此外顯子的個(gè)數(shù)不同導(dǎo)致其各個(gè)外顯子的長度差異較顯著。

2.2 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)組成分析PGI氨基酸組成分析表明，大多數(shù)節(jié)肢動物PGI蛋白的主要組成氨基酸有Ala、Cys、Asp、Glu、Phe、Gly、His、Ile、Lys、Leu、Met、Asn、Pro、Gln、Arg、Ser 、Thr、Val、Trp、Tyr 20種，而麗蠅蛹金小蜂Nasoniavitripennis、赤擬谷盜T.castaneum及中歐山松大小蠹D.ponderosae不含有半胱氨酸Cys，鮭瘡痂魚虱D.magna不含有組氨酸His與色氨酸Trp。

此外，節(jié)肢動物PGI蛋白質(zhì)中普遍含有2個(gè)糖異構(gòu)酶結(jié)構(gòu)域(Sugar isomerase ,SIS)，分別標(biāo)記為SIS-1和SIS-2，而甲殼綱的鮭瘡痂魚虱L.salmonis只含有一個(gè)SIS。各個(gè)物種間，SIS-1和SIS-2在蛋白質(zhì)及核苷酸序列中的位置在不同目間存在一定差異，但各結(jié)構(gòu)域的長度均較相近(表 3)。

表2 節(jié)肢動物各種類外顯子數(shù)目及大小

注：“-”表示外顯子長度未知。

表3 節(jié)肢動物中各種類PGI蛋白結(jié)構(gòu)域的信息

3 討論

Pgi基因作為表明“環(huán)境-節(jié)肢動物適應(yīng)性特征”之間關(guān)系的分子標(biāo)記，在保護(hù)基因組學(xué)研究中起著重要作用[12]。該研究對Genbank上報(bào)道的節(jié)肢動物門PGI蛋白編碼序列進(jìn)行分析，選取其中9目49種共236條PGI蛋白編碼序列作為研究對象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PGI蛋白編碼序列在節(jié)肢動物中普遍以ATG作為起始密碼子，終止密碼子類型有3種，其中主要以TAA為主。節(jié)肢動物中PGI蛋白編碼序列終止密碼子使用上偏好TAA，這可能是由于TAA終止翻譯具有較低的誤讀率[13-14]。

節(jié)肢動物不同種類的PGI蛋白編碼序列長度在255～1 800 bp，具有顯著的長度多態(tài)性。研究表明，編碼序列長度的大小對基因的表達(dá)水平具有一定影響[15]。編碼序列的長短與基因的表達(dá)量在一定條件下成反比關(guān)系，編碼序列較短的基因具有較高的表達(dá)水平，在物種進(jìn)化水平上處于更有利的地位[16]，反之，編碼序列較長的基因在表達(dá)翻譯過程中耗能較大且需要較多的調(diào)控因子進(jìn)行協(xié)助，從而導(dǎo)致表達(dá)水平較低[17]。

在節(jié)肢動物Pgi基因中外顯子數(shù)目從甲殼綱到昆蟲綱各目呈減少趨勢，從甲殼綱大型蚤14個(gè)到雙翅目蚊類的4個(gè)，相差3倍多。同一基因在不同目間在結(jié)構(gòu)上存在一定差異。這在杜周和等[18]的研究中也有表現(xiàn)，他們發(fā)現(xiàn)α-淀粉酶基因外顯子數(shù)目在雙翅目與鱗翅目之間存在較大差異，并分析引起基因結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的原因可能是由于這2個(gè)目昆蟲在分開后各自經(jīng)歷了不同的進(jìn)化歷程。

節(jié)肢動物中除甲殼綱的鮭瘡痂魚虱外都具有2個(gè)糖異構(gòu)酶結(jié)構(gòu)域SIS，這與Ekman等[19]的研究結(jié)果相同，大約2/3的真核生物蛋白質(zhì)中都含有2個(gè)或更多的結(jié)構(gòu)域。在不同目間各結(jié)構(gòu)域SIS在蛋白質(zhì)及核苷酸序列的位置存在顯著差異。Sandhya等[20]認(rèn)為蛋白結(jié)構(gòu)域長度變化是普遍存在的，而在節(jié)肢動物中PGI蛋白糖異構(gòu)酶結(jié)構(gòu)域的長度非常相近，這可能與不同種類及個(gè)體間PGI蛋白發(fā)生調(diào)整有關(guān)。在進(jìn)化過程中，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域會在序列及結(jié)構(gòu)上進(jìn)行多次修飾調(diào)整，以完善性能上的多功能化。

4 結(jié)論

對節(jié)肢動物PGI蛋白編碼序列的遺傳多樣性分析，結(jié)果表明，PGI蛋白編碼序列在節(jié)肢動物中存在顯著的長度多態(tài)性，而組成該基因的外顯子數(shù)目從甲殼綱到雙翅目呈逐漸減少趨勢；該蛋白普遍含有2個(gè)糖異構(gòu)酶結(jié)構(gòu)域，各結(jié)構(gòu)域的長度相近，且在不同目間的位置存在一定差異。

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Structural Analysis of PGI Protein Coding Sequence from Arthropoda
WANG Lu-gan,SU Guo-lian,LI Zheng-Yue,He Shu-qi*

(Key Laboratory for Agricultural Biodiversity and Pest Management of Ministry of Education,College of Plant Protection,Yunnan Agricultural University,Kunming, Yunnan 650201)

Abtract [Objective] In order to explore the relative rules about PGI protein coding sequence of Arthropoda.[Method] the PGI protein coding sequence of Arthropoda had reported in Genbank were primary analyzed.[Result]The results showed that ATG was the start codon in all sequences,the type of the stop codon was three,and mainly based-TAA.The content of AT in the Hymenoptera,Homoptera,Pediculushumanuscorporis,Gryllusveletis(Orthoptera) andDaphniamagna,Lepeophtheirussalmonis(Crustacea) was higher,as 54.3%～69.6%,while the content of GC in theTriboliumcastaneumandDendroctonusponderosae(Coleoptera) was higher,as 50.6%～51.9% .The length of PGI protein coding sequence was largly different,between 255-1 800 bp.The number of exon ofPgigene gradually reduced fromDaphniamagnato each order of insecta,the size of each exon was similar in the order.Protein domain analysis showed that there were two sugar isomerase in the PGI protein coding sequence of Arthropoda except forDaphniamagna,and the size of each domain was similar in different species.[Conclusion] The study provided theoretical basis for further exploring the PGI as arthropods adaptive mechanism of molecular markers.

Arthropoda；PGI protein coding sequence；Structural analysis

國家“973”計(jì)劃(2011CB100404)；云南省科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃(2011HC005)；云南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃(云教科[2011]14號)。

王露甘(1993- )，男，云南嵩明人，本科生，專業(yè)：植物保護(hù)，*通訊作者。

2014-12-17

S 181.3

A

0517-6611(2015)04-022-04