中华按蚊(Anopheles sinensis)P450超家族基因的鉴定和分析

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细胞色素P450(Cytochrome P450,简称P450)是昆虫体内广泛存在的一类解毒酶。细胞色素P450超家族是最古老和最庞大的超基因家族之一,在生命过程中,它对内源物质的代谢与转化,外源化合物的活化与降解等进行催化和调控。昆虫细胞色素P450对异源物质的代谢特性导致了昆虫对杀虫剂的抗药性。细胞色素P450因其生物学的重要性,一直是生物学研究的重要对象。中华按蚊(Anopheles sinensis)是我国和东南亚地区主要的疟疾传播媒介,从阿富汗到中国东北以及韩国,日本,台湾,向南至印尼西部都有广泛分布。本研究的主要内容有:①基于中华按蚊转录组的P450超家族基因的鉴定和分析基于中华按蚊转录组测序数据,以黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)、冈比亚按蚊(An. gambiae)、埃及伊蚊(Aedes aegypti)等其它生物的细胞色素P450蛋白序列为检索序列,对中华按蚊细胞色素P450进行检索;检索得到的候选基因进行手工校对,然后再与NCBI的nr库进行BLASTP检索,进一步完成序列的验证工作。选取大于200a.a.的中华按蚊P450预测序列进行蛋白序列比对,以鉴定中华按蚊细胞色素P450基因。利用黑腹果蝇、冈比亚按蚊的细胞色素P450的预测分析结果,与中华按蚊细胞色素P450构建不同的系统发育树,并对中华按蚊细胞色素P450进行分类和功能预测分析。结果显示,在中华按蚊转录组中发现32个P450基因,其中10个P450基因是具有完整编码区的全长序列。将中华按蚊细胞色素P450基因按昆虫P450家族分类,其中29个基因分布于6个家族,它们主要分布于基因数量大量扩增的Clan3和Clan4,3个基因(Un25607、CL2110.1、CL2523.1)家族分布不明。中华按蚊P450在保守结构域中只有2个氨基酸为绝对保守,即:螺旋C(WxxxR)中的色氨酸,血红素结合的信号序列(PFxxGxRxCXG/A)中的半胱氨酸。GO功能注释发现中华按蚊P450序列主要参与催化、电子载体、氧化还原酶、离子绑定等分子功能和新陈代谢、氧化还原等生物过程。保守性和替换率分析表明6个基因(Un14353、Un23295、Un27261、CL1304.1、Un14208、Un14440)相对保守;而3个基因(Un26541、CL2171.1和CL2171.2)的进化速率较快。32个预测基因均有表达证据,其中来自Clan4集团的CYP4家族的Un28178(FPKM=448.3513),Clan3集团的CYP9家族的Un14522(FPKM=323.5153),Clan3集团的CYP6家族的Un26541(FPKM=96.4684)、Un27261(FPKM=81.4246)的EST表达证据的比例明显较高,表明这些基因对维持中华按蚊正常生理活动非常重要。通过采用果蝇和中华按蚊的P450基因建立系统发育树,发现在基因数量大量扩增的Clan3与Clan4中,很难找出直向同源基因,这2个集团基因在进化树的进化枝上表现出种属特异性。②中华按蚊CYP6P5基因的鉴定及特征分析与昆虫杀虫剂抗性相关的P450基因多集中于CYP6家族中,其中CYP6P5是最重要的抗性基因之一。以催命按蚊(An. funestus)基因CYP6P5为询问基因,基于中华按蚊转录组测序数据,采用双向Blast方法搜寻中华按蚊CYP6P5cDNA序列。利用生物信息学分析相关软件对该基因编码蛋白序列的一级结构、疏水区、跨膜区、结构域、3D结构等进行预测分析,并采用最大似然法建立了蚊虫代表性种的系统发育关系。经搜索获得了一条中华按蚊CYP6P5全长cDNA序列,该cDNA序列具备P450超家族和CYP6家族特征性的保守序列,命名为CYP6P5(GeneBank登录号:KF358704)。该cDNA全长为1583bp,开放阅读框为1527bp,编码508个氨基酸,推测其相对分子质量为58.32kDa,等电点为7.17。分析表明该基因编码的蛋白序列第5~21氨基酸是疏水区,第5~22氨基酸是跨膜区,第36~505氨基酸是P450保守结构域,并具有多个酶活性位点。系统发育关系和相似性分析表明中华按蚊CYP6P5与催命按蚊CYP6P5和冈比亚按蚊CYP6P5亲缘关系最近形成一个单系,相似率分别为89.4%和89.0%。该研究为进一步研究中华按蚊CYP6P5基因溴氰菊酯抗性的分子机理奠定了基础。
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