拟南芥中选择性拼接对蛋白质的定位序列和ARC5生物学功能的影响

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基因的选择性拼接(alternative splicing,AS)是指真核生物基因的前体mRNA(precursor messenger RNA,pre-mRNA)通过内含子和外显子的不同拼接方式产生多个mRNAs的过程,从而可以编码许多具有不同功能的蛋白质异构体。通过AS,生物体的基因组可以编码更为丰富的蛋白质种类,从而具有更加复杂的代谢、发育调控和胁迫应答的机制以及更好的环境适应能力。蛋白质N端的信号肽、转运肽和过氧化物酶体定位信号类型2(peroxisomal targeting signal type 2,PTS2)以及C端的过氧化物酶体定位信号类型1(peroxisomal targeting signal type 1,PTS1)等序列对于蛋白质定位到各种细胞器具有至关重要的作用。在基因组水平上系统地分析AS对蛋白质亚细胞定位的影响,有助于加深人们对AS作用的认识。本论文以拟南芥为研究对象,通过蛋白质序列分析、Gene Ontology(GO)分析、RT-PCR、亚细胞定位及进化分析等手段,在基因组水平研究了 AS对蛋白质亚细胞定位的影响。分析结果表明,在5,885个AS基因中由于所编码蛋白质的N末端序列不同导致不同异构体定位具有差异的基因有413个,而C末端序列不同影响PTS1的基因有66个。另外,AS影响的PTS2基序的基因有5个。AS影响到蛋白亚细胞定位的这些基因参与到诸多重要的植物生理活动。选取9个可能的AS基因进行RT-PCR分析,它们均可产生2种或2种以上不同的mRNAs,而且其中2个基因的表达模式及AS方式具有组织特异性。进一步的亚细胞定位结果表明AS可通过影响蛋白质的N末端序列来影响叶绿体转运肽、线粒体定位肽、内质网(Endoplasmic reticulum,ER)途径信号肽及PTS2,进而影响蛋白质定位于叶绿体、线粒体、ER途径及过氧化物酶体的能力;AS还可通过改变蛋白质的C末端序列来影响PTS1,进而影响蛋白质定位于过氧化物酶体的能力。ARC5是一个重要的叶绿体分裂蛋白,先前实验结果显示其可能具有膜脂结合能力的Pleckstrin Homolgy(PH)结构域受到AS的影响,但是具体的作用机理并不清楚。本论文的结果显示:ARC5的PH结构域具有特殊的脂结合特性,该能力对于ARC5的功能至关重要。通过AS产生的ARC5-S(short,S)比ARC5-L(long,L)具有更强的叶绿体分裂能力。PH-L的脂结合能力明显低于PH-S。在幼嫩绿色组织中,ARC5的总量较高,ARC5-S所占比例也相对较高,以满足快速的叶绿体分裂,而在较老的组织和非绿色组织中,ARC5的总量较低,ARC5-S所占比例也相对较低。另外,PDV1和PDV2蛋白在ARC5-L的自聚化过程中起到促进作用,而对ARC5-S的自聚没有明显的作用。ARC5的AS事件及其作用在维管植物中也是保守的,其产生有利于叶绿体分裂的调控。
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