鲁东大学学报(自然科学版) Ludong University Journal(Natural Science Edition) Maf家族基因的系统演化分析 于 洋,李红岩,张士璀 (中国海洋大学海洋生命学院,山东青岛266003) 摘要:Maf家族基因编码是一类含有碱性结构域和b-Zip的转录因子,Maf基因编码的蛋白在血细胞发生、胰 腺分化、眼睛晶状体发育等多个过程中起重要作用,但目前该基因家族的进化并不清楚.本文首先搜索了不 同基因组中的可能的Maf家族基因,对其染色体定位、基因结构、编码蛋白的功能域等进行分析,并构建系统 进化树研究了该基因家族的进化. 关键词:Maf;分类;演化 中图分类号:Q349 文献标志码:A 文章编号:1673.8020(2014)04 0330.06 Maf基因家族属于转录因子,最早发现的该 家族基因是v-maf基因,它是在可引起鸟类肌腱 Maf家族成员包括c.Maf,MafB/Kreisler,MafA和 NRL ,鸡中发现有3个大Maf家族基因,L— 膜纤维瘤病毒AS42的基因组中发现的.目前,已 有多个Maf家族基因在不同物种中均已被克隆, 包括人、小鼠、爪蛙、鸡以及斑马鱼等.Maf家族基 因编码的蛋白质都有一个高度保守的basic Maf,MafB和c-Maf loj.在斑马鱼中也已鉴定到这 些大Mar家族基因的同源基因,其中有两个是 MafB的同源基因,分别是Val和Krm1.果蝇和线 虫中均只找到一个大Maf家族基因.在人、小鼠、 region,一个位于羧基端的bZIP功能域,该功能域 可以使Maf蛋白质和其靶DNAs结合,一般是通 过与T-MARE或C—MARE识别位点结合¨ j. Maf蛋白质的bZIP也可与其自身或其它含有 bZIP功能域的蛋白质形成二聚体 . 鸡、爪蛙、斑马鱼中均找到3个小Maf家族基因, 人、小鼠、鸡、爪蛙中为MafF、MafK,MafG,而在斑 马鱼中有MafK,两个MafG的同源基因,却没有 MafF,而有一个新成员MatT的存在… .文昌鱼属 于头索动物,在进化上具有极其重要的地位,但该 物种中存在哪些Mar家族成员尚不清楚. Coolen等 系统地分析了不同物种的大Maf 家族,研究了大Maf家族的系统演化关系,并根据 系统进化树等信息确定了不同物种的各大Maf基 因的确切名称,如根据系统进化树,爪蛙中过去认 为MafA的同源基因L.MaLf其实是NRL的同源基 因,鸡的L.Maf是Maf的同源基因. 基于此,本文将首先利用已测序的佛罗里达 Maf家族蛋白根据其分子量大小可分为两大 类,大Maf蛋白和小Maf蛋白.大Maf蛋白和小 Maf蛋白的结构有差别,大Maf家族基因编码的 蛋白质羧基端既有与DNA结合的bZIP功能域, 在其氨基端也有富含脯氨酸、丝氨酸以及苏氨酸 的转录激活域 j.而小Maf家族基因编码的蛋白 质缺少转录激活区,作为伴侣蛋白起作用,如可能 通过与含有bZIP的CNC形成异源二聚体从而起 到转录激活的作用 . Maf基因在各种脊椎动物模式动物中均已鉴 文昌鱼的基因组信息,确定文昌鱼中的Maf家族 成员组成,同时结合已有报道,搜索其它不同进化 定,除线虫基因组中只找到一个Maf基因外,大部 分无脊椎动物如海胆和果蝇等以及尾索动物海鞘 均有一个大Maf基因和一个小Maf基因.而大部 分脊椎动物如人、小鼠以及爪蛙中已鉴定的大 地位代表性生物中的Maf基因,并系统分析这些 Maf家族成员的特征,并结合系统演化分析确定 Maf家族的进化. 收稿13期:2014—09一l8;修回13期:2014-10-09 基金项目:山东省自然科学基金重点基金(ZR2011CZOO4) 作者简介:于洋(1988一),女,山东烟台人。硕士研究生,研究方向为发育生物学。E—mail:yuyang3644@gmail.aom。 通讯作者:张士璀(1957一),男,江苏泗阳人。教授,博士研究生导师,博士,研究方向为发育、免疫与进化生物学。E—mail:sczhang @OtlC.edu.cno 第4期 于洋,等:Maf家族基因的系统演化分析 331 1 方法 佛罗里达文昌鱼Maf基因序列是从JGI数据 库(http://genome.jgi—psf.org/Brafll/Bralf1. home.htm1)运用BLASTp找出的同源基因序列, 蛋白序列是根据上述基因序列在DNA Star软件 中翻译而来[1 .这些基因及蛋白序列可用于后 续研究.其它物种中的序列均从NCBI中直接或 通过BLASTp或tBlastn搜索得到,之后对基因序 列进行内含子一外显子分析,并对其编码的蛋白 进行特征分析.用SMART软件对蛋白的功能域 进行预测. 系统进化树的构建:首先将不同物种的Mar序 列用MEGA5.0软件中的Megalign进行序列比对, 之后利用Neighbor joining方法构建系统进化树,进 行1000次自引导复制(bootstrap replications) 14]. 2 结果 2.1 不同生物的Maf基因家族及特征 不同代表性模式生物的Maf家族成员及特征 见表1,我们所搜索的代表性模式生物的基因组 中均有Mar基因的存在,这些基因在染色体上均 是散在分布的.脊椎动物中均有大Mauf和小Maf 基因,爪蛙、小鼠、人的基因组中均有4个大Mar- MafA,MafB,c.Maf,Nrl,3个小Mar-MarK,MafG, MafF.鸡的基因组中没有找到Nrl,只有另外三个 大Maf.斑马鱼中的Maf成员最多,有5个大Maf 以及4个小Maf基因的存在,这与硬骨鱼比脊椎 动物多的一次基因组复制有关.斑马鱼中存在两 个复制的MafB—MafBa和MafBb以及两个复制的 MafG—MafGa和MafGb.在头索动物文昌鱼和尾索 动物海鞘中,均找到两个Maf,一个是大Maf,一个 是小Maf.在无脊椎动物中,海胆和果蝇中均找到 两个Maf成员,一个是大Maf,一个是小Maf.而在 线虫中,只有一个小Maf的存在. 不同物种中Maf基因编码的蛋白大小有一定 的保守性,如大Maf蛋白,其中的MafA,MafB和 c—Mar编码的蛋白要大一些,一般都在300个氨基 酸以上,而Nrl编码的蛋白则要小一些,一般在 230个氨基酸左右,但也有一些例外,如鸡和爪蛙 的MafA蛋白质明显小于其他物种的MafA,斑马鱼 表1不同物种的Mar基因及其特征 332 鲁东大学学报(自然科学版) 第3O卷 的Nrl基因编码一个包含412个氨基酸的蛋白, 这明显大于其他物种的Nd.文昌鱼、海鞘以及其 它无脊椎动物的大Maf的蛋白相差较大,文昌鱼、 海鞘、海胆、果蝇的大Mar蛋白分别为291、429、 370、509个氨基酸.不同物种的小Maf蛋白的长 度相差不大,均小于200个氨基酸,大部分都在 150~170个氨基酸之间.果蝇中的小Maf蛋白最 小,只有137个氨基酸. 不同物种的Maf蛋白的基因结构既有一定的 保守性,也有不同.大Mar的基因结构并不相同. 如脊椎动物的MafA和MafB都由单个外显子组 成.而脊椎动物的c.Maf的基因结构却不保守, 人、小鼠、爪蛙的c。Maf都由单个外显子组成,大 鼠和鸡的c.Maf由4个外显子,3个内含子组成. 而斑马鱼的c-Maf由3个外显子,2个内含子组 成.头索动物文昌鱼的大Mar基因由单外显子组 成,尾索动物海鞘由3个外显子和两个内含子组 成.海胆的则由单外显子组成.小MaLf的基因结构 均由多个外显子组成.不同物种中的不同小Maf 的基因结构没有保守性,从2个外显子到8个外 显子不等. 2.2不同生物Maf家族基因的系统进化关系 对各种不同生物的Maf家族成员构建进化 树,如图1所示:不同生物的大Maf家族基因、小 Mar家族基因各自聚为一大枝,而线虫的Maf位 于进化树的基部.大Maf家族中,脊椎动物的大 Maf亲缘关系更近,聚为一大支,而其中MafA, MafB,c—Maf,Nrl各自聚为一支。而头索动物文昌 鱼、尾索动物海鞘、无脊椎动物海胆和果蝇的大 Maf位于脊椎动物大Maf家族基因的基部.小Maf 家族中,脊椎动物的小Maf家族成员聚为一大支, 而其中除了爪蛙的MafF外,脊椎动物的MafF, MafG,MafK各自聚为一支,Takagi等 鉴定的斑 马鱼中的新的小Maf基因MatT实际上就是Matt 的同源基因.而头索动物文昌鱼、尾索动物海鞘、 无脊椎动物海胆和果蝇的小Maf位于脊椎动物小 Maf家族基因的基部.由此,可以推断,后生生物 中,最初只有一个Maf成员,之后在无脊椎动物及 头索动物、尾索动物中则进化出大Maf和小Maf 各一个成员,在脊椎动物中,小Mar进化出了三个 成员Matt,MafG和MafK,而大Maf则进化出了 四个成员MafA,MafB,c—Maf以及Nr1.由于硬骨鱼 中多出一次基因组复制,部分基因出现了复制. 3 讨论 Mar基因家族属于比较保守的基因家族,在 后生生物中均存在.但不同进化地位生物中的 Maf基因家族也各有其特征,如不同进化地位生 物中的Maf基因家族的成员各不相同.如已知脊 椎动物一般均包括4个大Mar基因,3个小Maf 基因.鸡中只有3个大Maf基因,可能是进化过程 中Nrl发生丢失 .而斑马鱼中则有5个大Mar 基因,4个小Mar基因.是因为硬骨鱼多出的一个 基因组复制,Marl3和MafG均发生了基因复 制 .我们发现文昌鱼和尾索动物海鞘一样,只 有一个大Maf基因,一个小Maf基因.无脊椎动物 果蝇、海胆等也各有一个大Maf基因和一个小 Maf基因.而线虫中则只找到一个Maf基因.系统 进化分析显示该Maf位于整个进化树的基部.认 为首先是一个Maf基因进化出一个大Maf基因, 一个小Maf基因.之后在大部分脊椎动物中复制 出4个大Maf基因,4个小Maf基因.而在其中一 些脊椎动物如鸡和斑马鱼中,有的基因丢失,有的 基因发生复制,出现不同数目的大Maf和小Maf 基因. 从基因结构来看,有的Maf基因如大Mar基 因MafA和MafB,有较为保守的内含子一外显子 结构,而大部分Maf基因则有不保守的内含子一 外显子结构.对不同物种Maf基因编码蛋白的大 小以及功能域分析表明,从无脊椎动物到脊椎动 物,Maf基因编码的蛋白大小不同,均可分为大 Maf和小Maf,大小Maf均含有bZIP,可以和DNA 结合,而小Maf没有转录激活区,而一般作为伴侣 蛋白是和其他含有bZIP的转录因子结合,共同起 转录激活的作用.序列比对结果表明,Maf家族成 员的bZIP功能域的同源性较高,bZIP之外的其 他序列的同源性较低. Maf家族基因不同成员的表达部位多样,也 执行多样化的功能.其中脊椎动物的Maf基因的 研究最多.小鼠、斑马鱼、鸡等脊椎动物的大Maf 基因均已有系统研究_9, 脊椎动物的同源Maf 的表达及功能有保守性,但也有物种特异性. 第4期 于洋,等:Mar家族基因的系统演化分析 MafF MafK MafG Nrl c.Maf MafB MafA 图1不同物种的Mar系统进化树 333 ∽ 鲁 巴 一 黑 ∞ 334 鲁东大学学报(自然科学版) 第30卷 如很多大Maf家族成员都表达在眼睛的晶状体细 胞上,如鸡的L—Maf,即人和小鼠MafA的同源基 因 18],在发育中的晶状体细胞上有表达,而且L— Maf的表达能够提示晶状体的分化.RT—PCR的结 果显示小鼠的MafA在眼睛中也有表达.爪蛙的 MafA在晶状体纤维细胞中也有表达¨ .鸡、小 鼠、大鼠等的c Maf均在晶状体上有较强的表达, 但表达有差异,如小鼠c-Maf的表达首先在预定 的晶状体外胚层,之后在发育的晶状体上表达,而 且其主要表达在纤维细胞,在上皮细胞中表达较 弱,而大鼠的c.Maf则完全表达在晶状体纤维细 胞中[20-21 J.小鼠的Nrl不在发育的晶状体表达, 而在神经系统表达 .人的Nrl则主要表达在视 网膜、晶状体和脑中.Maf家族基因的不同表达模 式提示它们在晶状体形成、神经系统等过程中起 不同的重要作用,除此,Maf家族基因在肿瘤发 生、免疫系统、胰岛素产生、细胞分化以及细胞凋 亡中也起很重要的作用,而且不同的大Maf的功 能既有一定的重复,也有各自的特异性H 一 . 不同小Maf家族成员的表达有一定的重叠,但也 有一定的特异性 .MafK,MafF单独基因敲除 的小鼠都没有出现明显的表型 卜 ,而MafG 敲除的小鼠则出现了神经系统和血管系统的缺 陷_2 .而MafG和MafK基因共敲除的小鼠则表 型要严重得多.这说明MafG和MafK执行的功能 是类似的 . 如上所述,目前脊椎动物中Maf的表达功能 相对较多,而脊索动物以及无脊椎动物中Maf基 因的表达及功能研究很少,大、小Maf是否能够执 行脊椎动物多个成员的多样化功能均不清楚,有 待于进一步研究.而Maf家族基因的系统分析将 为进一步的研究打下很好的基础. 参考文献: [1] Kataoka K,Fujiwara K T,Noda M,et a1.MafB,a new Maf family transcription activator that can associate with Maf and Fos but not with Jun『J].Mol Cell Biol, 1994,14(11):7581—7591 [2] Kataoka K,Noda M,Nishizawa M.Maf nuclear oncop- rotein recognizes sequences related to an AP一1 site and forms heterodimers with both Fos and Jun l J I. 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