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摘 要

谷氨酸脱氢酶（GDH）是一种普遍存在于植物细胞中的金属酶蛋白，在植物代谢中起着重要的枢纽作用。GDH基因在水稻、拟南芥和小球藻中已有较多研究，而在重要作物玉米中还未见报道。本研究采用生物信息学方法鉴定出玉米基因组中5个GDH基因，并对其进行了分子进化和表达分析。结果表明，该家族蛋白质可分为3个亚族，说明其成员已经发生了分化。基因结构和保守基序分析表明，玉米GDH基因结构较不保守，蛋白质均含有谷氨酸脱氢酶的核心基序。EST表达分析表明，大部分基因主要在叶、根、胚等器官和多组织器官混合样品中表达。蛋白互作分析表明玉米GDH蛋白参与多种代谢过程。这些结果为ZmGDH基因的进一步功能分析奠定了基础。

关键词：玉米，GDH基因，系统发育分析，表达分析，蛋白互作

Abstract:Glutamate dehydrogenase (GDH) is a metalloenzyme protein commonly found in plant cells and plays important roles in plant metabolism. GDH genes have been widely studied in rice, Arabidopsis and Chlorella, but they have not been reported in important crop maize. In this study, five GDH genes in maize genome were identified using bioinformatics methods, and molecular evolution and expression analyses of these genes were performed. The results showed that ZmGDH proteins can be divided into three subfamilies, indicating that their sequences may have diverged. Analyses of gene structures and conserved motifs showed that ZmGDH gene structuresare not conserved and the proteins all contain the glutamate dehydrogenase core motifs. EST expression analysis showed that most of the genes were mainly expressed in leaves, roots, embryos,and multiple-tissuemixed samples. Protein interaction analysis showed that ZmGDH proteins participate in various metabolic processes. These results laid the foundation for further functional analysis of ZmGDH genes.

Keywords: maize, GDH gene, phylogenetic analysis, expression analysis,protein interaction

目录

1 前言 4

2 材料与方法 5

2.1 玉米GDH基因家族成员鉴定 5

2.2 染色体分布和复制事件 5

2.3 系统发育分析 6

2.4 基因结构和保守基序分析 6

2.5 基因表达分析 6

2.6 蛋白质互作分析 6

3 结果与分析 6

3.1 玉米中的GDH基因 6

3.2 ZmGDH基因的染色体分布和复制事件 9

3.3 玉米GDH基因系统发育分析 9

3.4 基因结构和保守基序分析 10

3.5 玉米GDH基因表达分析 12

3.6 蛋白质互作分析 14

讨论 17

参考文献 19

致谢 21

1前言

谷氨酸脱氢酶(Glutamate dehydrogenase，GDH)为一类特定形式的金属酶蛋白，普遍存在于植物细胞中，并在植物生长和代谢中发挥重要作用。对应的分子量为255-270kD，由几个相同或者一定差别的亚基构成。一般结构为六聚体，也有一些为四聚体。酶的活性位点包含丰富的巯基，此时活性的释放一般需要二价金属离子在其中发挥作用^[1]。GDH在植物细胞器内大量存在，主要分布在线粒体、叶绿体和胞质溶胶中^[2]。研究表明，植物中的GDH至少由两个基因编码，每一种编码蛋白被随机连接，从而产生各种六聚体同工酶^[3,4]。GDH存在α和β两种形式，对应着七种同工酶模式，即6α、5α：β、4α：2β、3α：3β、2α：4β、α：5β、6β^[1]。β亚基能够在植物内部的任意位置被测定出来，不过α亚基并非到处存在的，研究人员预测前者可能是组成型，而后者是诱导型形式。空间结构也存在一定差别，β亚基包括了EF-hand结构但是α亚基并不包括^[1]。GDH不仅能够催化NH₄ 与α-酮戊二酸合成谷氨酸，同时也能够催化谷氨酸氧化释放出NH₄ ^[5,6]。近年来GDH家族引起了更多的关注，研究发现，通过GDH的氨同化比通过谷氨酸合成酶效率更高^[7]。GDH能够将NH₄ 氨化为谷氨酸，完成对氮素的固定。GDH对生物内部的NH₄ 的亲和力比较低，因此植物重点借助GS/GOGAT方法对氮素进行固定^[8]。研究表明，GDH很有可能跟氨同化存在关联，但是对于GDH的生理作用还不明确^[2,3]。

目前，已经从拟南芥（Arabidopsis thaliana）中克隆出两个GDH基因，其表达与发育阶段、器官、组织类型和营养等因素有关^[3,4,9]。根据已有研究，特定的GDH显示出不同的调节方式，它们的表达模式具有重要的功能意义。对植物和古细菌GDH的比较研究表明，植物亚型的演化更接近于古细菌异构体而不是脊椎动物的线粒体（人类和果蝇）^[10]。单双子叶植物GDH的比较表明，植物GDH基因可能来源于共同的祖先^[11,12]。因为很少有研究广泛调查植物中GDH的进化情况，目前GDH基因在植物中的进化历史仍不清楚。Andersson和Roger^[13]提出水平基因转移可能在GDH家族的进化中发挥重要作用。研究表明，水平基因转移在真菌GDH家族的演变中发挥重要作用。然而，在大多数植物中GDH的基因重复和缺失的情况仍不清楚。因此，需要更多的研究来了解不同植物群体中的GDH的进化历史，例如单细胞绿藻（莱茵衣藻和小球藻）和苔藓小立碗藓。解决目前关于植物GDH提出的问题的可行方法是对特定植物中所有这些问题的系统功能鉴定^[14]。

生物信息学(Bioinformatics)是一种以生物大分子为研究对象，结合计算机和数学统计的方法理论，有利于对充分数据信息进行整理、研究和论述^[15]。生物信息学的重要任务是掌握遗传基因组的数据结构以及内部基础规律。目前的研究热点包括序列比对、基因鉴定和序列分析等，为基因的分析和研究开辟了新的途径。目前，与生物信息学相关的三大关键数据库主要是：GeneBank核酸数据库、SWISS-PROT蛋白质数据库和PDB生物大分子结构数据库，结合此类数据库能够衍生和拓展获得具备吸纳供应用途的数据库以及处理软件，进而便利了人们的工作^[16]。

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