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硒是生物必需微量元素,摄入过多或不足都会引起生理过程的失调或疾病。硒元素的主要生物功能是通过硒蛋白实现的。家蚕基因组测序及注释工作于2004 年完成。
然而,由于硒蛋白的活性中心硒代半胱氨酸是由传统终止密码子TGA编码,通用的基因分析软件对硒蛋白的注释均产生错误和遗漏,因此需要重新进行硒蛋白的分析和预测。为深入认识硒在家蚕中的生物功能,本论文对硒在家蚕中的分布、存在形态、结构和功能等方面进行了全面研究。
为筛选富硒蚕种、研究硒在蚕中的分布,本论文选取28 种不同品系、化性、眠性和来源的家蚕,培养至5 龄3 天,同时分离大造蚕的头、丝腺、精巢、中肠、表皮等组织,收集并处理样品,于AFS-920 氢化物发生—原子荧光光度计上测定硒含量。
结果显示:硒在大造全蚕中的含量为182.8255±0.9840μg/Kg,在各组织中的分布情况以精巢和头部硒含量最高和居次。说明硒对大造蚕的生殖和神经系统可能具有重要作用。同时,不同种类的家蚕对硒的富集能力各不相同,与大造蚕相比,中系、一化四眠、地方材料、实用性育种材料家蚕的硒含量有显著性差异(P<0.05),其中中系蚕具有最大的富硒能力,平均硒含量达214.9334μg/Kg。
为研究硒在家蚕中的形态和生物功能,本论文在已公布的大造家蚕基因组数据的基础上,采用计算机PERL 语言编程结合生物信息学方法鉴别家蚕硒蛋白组。结果表明大造蚕中含有5 条硒蛋白基因,分别被注释为GST 、CG6024 蛋白,CG5195 蛋白, ATP-结合盒转运蛋白A 型(ABCA)和核VCP 相似蛋白,其中GST 为微生物已知硒蛋白,其它四种为家蚕新硒蛋白。为验证方法的通用性,本论文还采用所编辑的软件,对斑马鱼基因组进行了分析,鉴别出13 条斑马鱼新硒蛋白基因。
为推断所识别的家蚕硒蛋白的生物功能,本论文进一步采用系列生物软件分别对家蚕硒蛋白的结构和功能域进行预测。结果表明:Bmb007600、Bmb016238、Bmb018303、Bmb014121 以α-螺旋和β-折叠为主,Bmb001751 则含有大量的不规则卷曲;Bmb016238 的N-端氨基酸位于膜内连续跨膜3 次,Bmb014121 的N-端位于膜内跨膜1 次,Bmb007600 的N-端位于膜外跨膜1 次;Bmb016238 蛋白在24 位和25 位氨基酸残基间有一个信号肽剪切位点;Bmb001751 中含有低密度脂蛋白受体和CUB结构域,Bmb018303 中含有不完整的类磷酸烯醇丙酮酸激酶和ATP_GTP_A2 结构域;
Bmb014121 具有包含三磷酸核苷水解酶片段的p-loop;Bmb016238 含有富亮氨酸的重复结构域。从上述蛋白质的结构和特点推断所发现的5 条硒蛋白在家蚕体内与抗病、先天免疫、促进生殖、神经发育等过程有着重要关系。
本论文不仅筛选出富硒能力强的家蚕品种,而且发现精巢和头中硒含量最高,说明硒对家蚕的生殖能力和神经系统具有重要作用,该结果与已报导的哺乳动物中存在精子硒蛋白和脑中富含硒蛋白的结论相符合。采用生物信息学手段预测到5 条硒蛋白及其结构与功能,其中4 条为首次报导的新硒蛋白。这些硒蛋白与家蚕的生殖发育、抗病抗逆、先天免疫等过程等过程密切相关。尽管所预测的家蚕硒蛋白仍需实验证实,但本项工作为今后有关硒与家蚕的进一步研究指明了方向、奠定了理论基础。