海带岩藻多糖合成关键基因家族的全基因组鉴定和系统发育研究

论文摘要

大型褐藻海带是近海初级生产力的重要组成部分,也是一种重要的经济海藻。海带属于不等鞭毛类,由次级内共生进化而来,其独特的进化历史和生物学特征一直受到藻类学家的关注。岩藻多糖是褐藻细胞壁的主要填充物,具有抗凝血、抗氧化、调节免疫等多种生物活性。因此,岩藻多糖合成途径中关键基因家族的研究具有重要的理论和应用意义。本研究以海带全基因组和转录组数据为基础,利用生物信息学方法,在整个生物界范围内对岩藻多糖合成途径中的重要基因家族进行比较基因组学研究。注释到了4个甘露糖-6-磷酸异构酶（mannose-6-phosphate isomerase,MPI）基因,7个木糖基转移酶（xylosyltransferases）基因,8个岩藻糖基转移酶（fucosyltransferases,FK）基因,18个硫酸酯酶（sulfatases）基因,69个硫酸基转移酶（sulfotransferases）基因。此外,还鉴定出磷酸甘露糖变位酶（phosphomannomutase,PMM）基因,GDP-甘露糖4,6脱水酶（GDP-mannose 4,6-dehydratase,GM46D）基因,GDP-L-岩藻糖合酶（GDP-L-fucose synthase,GFS）基因,L-岩藻糖激酶（L-fucokinase,FK）基因各一个。硫酸基转移酶和硫酸酯酶基因家族分析。岩藻多糖的硫酸基团的位置和含量对其生物活性有重要影响。我们发现褐藻中硫酸基转移酶和硫酸酯酶较硅藻、红藻和绿藻发生了显著扩张。褐藻中硫酸基转移酶和硫酸酯酶的复制在其祖先就已经完成,随后再经过物种分化进入各个物种中。除此之外,海带中的硫酸基转移酶和硫酸酯酶基因数目较水云和冈村枝管藻多,在海带中硫酸基转移酶（PF03567）和硫酸酯酶（PF00884）还发生了物种特有的扩增。系统进化研究发现这些基因可能都来源于原始的真核宿主。转录组结果表明,超过半数的基因在海带孢子体中高表达,与其孢子体中多糖含量高相一致。木糖基转移酶基因家族分析。木糖基转移酶在糖类代谢中参与木糖基转移,催化活化的UDP-木糖基转移到不同的受体分子上,是多种多糖合成反应中的关键酶。我们在海带中鉴定了7个UDP-D-木糖:L-岩藻糖-α-1,3-D–木糖基转移酶（UDPD-xylose:L-fucose-α-1,3-D-xylosyltransferases,FucXylTs）基因,其功能主要是将木糖基转移到岩藻糖上。通过系统发育树分析,我们发现FucXylTs广泛分布于褐藻、褐潮藻、绿藻、领鞭毛虫和棘皮动物中,我们推测该类木糖基转移酶应该起源于真核生物的祖先,而不是植物所特有的。褐藻中FucXylTs和绿色植物（植物和绿藻）中的同源基因具有最近的序列一致性关系,并且在海带中以串联重复的方式发生扩张。通过结构比较,我们推测FucXylTs可能参与了褐藻中岩藻多糖的侧链的生物合成。

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摘要

ABSTRACT

第一章引言

1.1 海藻及海带概述

1.1.1 海藻简介

1.1.2 海带分类、分布及生物学特性

1.1.3 海带生活史

1.1.4 海带内共生起源学说

1.2 岩藻多糖

1.2.1 岩藻多糖的结构特性

1.2.2 岩藻多糖生物学活性

1.2.3 岩藻多糖合成研究

1.3 比较基因组学

1.3.1 比较基因组学研究的重要手段-生物信息学

1.3.2 比较基因组研究的重要内容-基因家族

1.3.3 褐藻比较基因组学研究进展

1.4 研究意义及内容

1.4.1 本文研究的意义

1.4.2 本文研究的主要内容

第二章海带不同世代岩藻多糖合成基因转录分析

2.1 材料与方法

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验仪器

2.1.3 实验试剂

2.1.4 实验方法

2.2 实验结果

2.2.1 测序评估与比对

2.2.2 基因表达计算与差异分析

2.2.3 海带岩藻多糖合成基因的鉴定与进化

2.2.4 基因的表达

2.3 讨论

2.3.1 海带岩藻多糖的生物合成

2.3.2 GDP-岩藻糖的生物合成

2.3.3 GDP-岩藻糖的生物合成的备选途径

2.3.4 GDP-岩藻糖的聚合

2.4 结论

第三章海带中硫酸基转移酶、硫酸酯酶基因家族的起源与进化

3.1 研究背景

3.2 材料与方法

3.2.1 数据收集与整理

3.2.2 目标序列的获得

3.2.3 序列结构分析

3.2.4 分子进化分析

3.2.5 硫酸基转移酶的表达分析

3.3 结果

3.3.1 硫酸基转移酶

3.3.2 硫酸酯酶

3.3.3 硫酸基转移酶表达水平分析

3.3.4 硫酸酯酶表达水平分析

3.4 讨论

3.5 结论

第四章海带木糖基转移酶的进化与扩张

4.1 研究背景

4.2 材料与方法

4.2.1 序列搜集和鉴定

4.2.2 目标序列获得

4.2.3 系统发育分析

4.2.4 序列结构分析

4.2.5 木糖基转移酶的转录水平分析

4.3 结果

4.3.1 海带木糖基转移酶的进化与结构分析

4.3.2 海带中木糖基转移酶的结构

4.3.3 海带中木糖基转移酶家族的基因复制与扩张

4.3.4 木糖基转移酶的表达水平分析

4.4 讨论

4.5 结论

参考文献

附录

致谢

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 韩文韬

导师: 叶乃好

关键词: 海带,岩藻多糖,比较基因组学,基因家族

来源: 上海海洋大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学,生物学

单位: 上海海洋大学

分类号: Q943.2

DOI: 10.27314/d.cnki.gsscu.2019.000139

总页数: 99

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海带岩藻多糖合成关键基因家族的全基因组鉴定和系统发育研究

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