鯉GST基因超家族的識別及進化研究

（河南師范大學水產學院，河南新鄉(xiāng)453007）

谷胱甘肽轉移酶 （Clutathion S-transferases，GSTs）主要功能是催化有害物質的親電子團與還原型谷胱甘肽的巰基耦聯(lián)，從而達到分解有害物質的目的[1,2]。植物有兩種特有GST基因分別是Phi和Tau，這兩種GST基因在植物中分布很廣，數(shù)量豐富[3,4]。人們最早在玉米中發(fā)現(xiàn)植物的GST基因[5]，在此之后有許多GST基因陸續(xù)從大豆、水稻中被鑒定和克隆出來[6-8]。GST基因在植物中的研究比較多，在動物和人類中研究較少。在脊椎動物里，GST基因主要功能是催化親和電子與還原型谷胱甘肽的巰基結合，使這些疏水性化合物變成水合物，減輕毒性，使其從膽汁或者尿液中排出[9]。鯉是世界上最重要的硬骨魚類之一，具有重要的食用價值和觀賞性，在全球淡水養(yǎng)殖產業(yè)中占有很高比重[10,11]。隨著生物技術的發(fā)展，鯉全基因組的測序工作已經完成，而鯉進化過程中的全基因組復制現(xiàn)象，也為全基因組復制后基因進化的研究提供了良好的材料[12,13]。

本文通過序列下載和比對，構建系統(tǒng)發(fā)育樹，然后對鯉GST基因家族進行命名。通過研究鯉GST基因家族在進化過程中的數(shù)量變化，探討了GST基因家族中的表達和作用。本文為鯉的基因進化研究提供了一定的借鑒，對鯉優(yōu)良品種選育具有一定的參考價值。

1 試驗方法

1.1 數(shù)據(jù)搜集和序列比對

在NCBI文庫中下載8個物種即小鼠（Mus musculus）、人 （Homo sapiens）、斑馬魚 （Danio rerio）、鰱魚 （Hypophthalmichthys molitrix）、鯽魚（Carassius auratus）、草魚（Ctenopharyngodonidellus）、斑點叉尾鮰（Ictalurus punctatus）、尼羅羅非魚（Oreochromis niloticus） 的GST基因序列。然后利用斑馬魚GST基因蛋白序列在鯉全基因組數(shù)據(jù)庫中進行比對，獲取鯉同源GST基因序列。

1.2 系統(tǒng)發(fā)育關系分析

應用MEGA6進行系統(tǒng)發(fā)育分析，使用相近鄰接法（NJ） 對鯉等物種的GST基因家族構建系統(tǒng)發(fā)育樹，bootstrap設定為1000。哺乳類動物和魚類的GST基因分別聚合在一起，說明GST基因家族在進化上具有一定的保守性。各物種之間的親緣關系越近，GST基因的相似度越高。

1.3 基因命名

基于比對結果和系統(tǒng)發(fā)育樹對鯉GST基因家族進行命名，將鯉GST基因與斑馬魚基因進行比對，根據(jù)斑馬魚GST基因名稱來命名鯉GST基因，如果鯉的GST基因具有多個拷貝，便在GST基因拷貝后添加字母后綴 （例如 GSTM1A、GSTM1B、GSTM2A、GSTM2B等）。

2 結果

2.1 GST基因家族對比及描述

不同物種GST基因家族成員數(shù)量對比情況如表1所示。其中GSTM、GSTT、GSTZ三個亞類基因，鯉的基因個數(shù)分別是4個、6個、2個，均為斑馬魚的兩倍；GSTO、GSTK兩個亞類基因，鯉的基因個數(shù)都是3個，而斑馬魚的基因個數(shù)分別是2個、1個，比斑馬魚的基因多；GSTP亞類基因，鯉的基因個數(shù)和斑馬魚相同；GSTA、GSTR兩個亞類基因，鯉的基因個數(shù)分別是1個和0個，比斑馬魚的基因少。

表1 9種脊椎動物GST基因家族數(shù)量對比Table 1 Comparison of GST gene families in 9 vertebral animals

鯉GST基因家族蛋白序列基本信息，如表2。分析發(fā)現(xiàn)鯉GST基因一共21個，包含4個GSTM，3個GSTO，2個GSTP，6個GSTT，2個GSTK以及1個GSTA基因，其中鯉部分GST基因數(shù)目比斑馬魚多，甚至是斑馬魚的兩倍，但也存在比斑馬魚GST基因少的現(xiàn)象。其中CDS編碼區(qū)長度為528-741 bp之間，其中外顯子個數(shù)在3-9之間。

表2 鯉GST基因家族基本信息Table 2 Basic information of GST gene family of common carp

2.2 鯉GST基因家族的系統(tǒng)發(fā)育分析

基于GST基因蛋白質序列使用相近鄰接法構建系統(tǒng)發(fā)育樹，結果顯示GST基因家族分為GSTM、GSTP、 GSTA、 GSTT、 GSTR、 GSTO、 GSTZ 和GSTK8個亞類。每個GST基因的亞類都分別聚類，說明GST基因家族具有一定的保守性。并且發(fā)現(xiàn)人和鼠的GST基因基本上聚類緊密，而魚類聚類緊密，說明哺乳動物和魚類之間均具有一定的保守性。（見圖1）

圖1 鯉等物種GST基因家族系統(tǒng)發(fā)育進化樹Figure 1 GST gene family system evolution tree of common carp and other species

3 討論

對鯉等物種GST基因家族構建的系統(tǒng)發(fā)育樹進行分析，發(fā)現(xiàn)在GSTM這一亞類中，草魚、鰱魚、尼羅羅非魚中均有1個GST基因，斑馬魚有兩個GST基因，鯉有4個GST基因。在GSTT亞類中，斑馬魚有3個GSTT基因，鯉有6個GSTT基因，同樣符合鯉比斑馬魚在進化過程中多復制一次的事實。這個結果證明了鯉基因組在進化過程中比斑馬魚多復制一輪[14]。在聚類次數(shù)上我們發(fā)現(xiàn)，人和鼠的GST基因聚為一支，而魚類的GST基因聚為一支，說明哺乳動物GST基因的親緣關系較近，而魚類GST基因的親緣關系較近。在魚類和哺乳動物的進化過程中，GST基因會隨之發(fā)現(xiàn)變化，導致魚類GST基因與哺乳動物GST基因會發(fā)生些許差異。但在物種進化過程中，因為遺傳進化而導致的基因之間的差異會越來越大[15]。

在GSTP亞類中，斑馬魚有2個基因，而鯉正常來說應該有4個GST基因，但實際只有兩條，說明鯉GST基因并非全是斑馬魚的兩倍，一些GST基因的數(shù)量會出現(xiàn)較大差異。雖然在GST的復制上鯉比斑馬魚多了一輪全基因組復制，但在復制過程中也會伴隨著某些基因的丟失，在鯉GSTP亞類中可能丟失兩條GST基因，所以鯉和斑馬魚均為2個GST基因。在GSTA亞類中，斑馬魚有2個GSTA基因，而鯉卻只有1個，此現(xiàn)象驗證了上述理論，即在進化過程中全基因組的復制總會伴隨著有基因丟失的現(xiàn)象。

目前關于鯉GST基因功能的研究還較少，目前已知的是GST基因與動物代謝排毒的過程有著密切的聯(lián)系[16]。因此，對鯉的GST基因更深入全面的了解，為鯉的基因進化研究提供了一定的借鑒，對鯉優(yōu)良品種選育具有一定的參考價值。