高等真核生物中重叠基因研究

高等真核生物中重叠基因研究 第,自然科学版,::,,卷 第期 太 原 师 范 学 院 学 报 ,:,,,: ,: , ,, 年月,:,, , :,,, ,:,,::,,:,, :,,,,,,,: ::,,,, ,:,,,,,,,, :,,,,,,,,,,,,,,,,,,:, , 高等真核生物中重叠基因研究 ,,,,亮虹成韩 渊 怀李 榆 梅张 ,,，山西生物应用职业技术学院 生物制药工程系山西 太原 ,,:,::,, 山西农业大学 农业生物工程研究所，山西 太谷 ,,,:,:,:, 〔摘要〕基 因 重 叠 是 高 等 真 核 生 物 中 一 种 普遍存在的基因 组 排 现 象 综 述 了 高 等 真 核 生 物 ,中 、、,,的 重 叠 基 因 的 分 类 数 量 互补 或自然反义转录本 可能的生物特性和 功 能 及 重叠基 因 与 人 :,,, 类 疾 病 的 关 系 , ,,, ,,,〔关键词〕真 核 生 物 重 叠 基 因 反 义 转 录 本 双 链 基 因 调 ,:,,,,:,控 〔中图分类号〕〔文献标识码〕,,〔文章编号〕 ,:,,,:,:,:,,:,:,,::,,,:,))) ，重叠基因是指两个或两个以上的基因共有一段 序列或指一段 序列为两个或两个以上基因 ,:, ,:, ,,,，的组成部分年在噬菌体 中第一次发现重叠基因这种单链噬菌体中相同的 序列通,,,:,,:,,,:, ΦΧ ，，不同的阅读框被识别产生不同的多肽随后的几年中在病毒和原核生物基因组中又发现了几对具有过 , 不同 ，,,互补编排的重叠基因在 中发现基因重叠年后真核生物果蝇和小鼠中也发现了转录引,,:,,:ΦΧ ，，叠单位植物中也鉴定出一些重叠基因由于新基因对是在研究特殊位点时偶然发现的重叠基因起的重 , ，,，,相对稳定而缓慢同时仅有能够产生自然反义转录本对的增长 ,:,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,的少数基因 对被进一步研究并确定其特性, ，,，由于数据库和查找不同真核生物重叠基因出现的频率约为人类基因组中鼠类基因组 ,, ,,: ，，，中蝇类基因组中达到重叠长度从到平均为重叠基因在真核生物 ,,:,,,,,,,,: ,,::,,:,,,:,, ，、中普遍存在并已有很多报道但直到最近它的重要性才被认识到笔者从高等真核生物重叠基因在分类数 , 、，量可能的生物特性和功能以及这些基因与人类疾病等几方面进行阐述:,,,, 重叠基因的种类和数量 , ，,、,、,，划分重叠基因可以有不同的标准包括基因方向如尾对尾头对头重叠区域,,,,,,,′′，，,,,，编码 区内含子和重叠程度全部或部分根据基因相互的组织编排方式庞大的重叠基因家族可被分,, ,,,，，,成种主 要类型图第一反向排列即反方向的基因转录而来它们可以是会聚的两条链的端,,,,′,，,,,，，,交汇也可以 是分离的两条链的端交汇第二同向排列由同一条 链上的基因编码而来第,,:, ′ ，，三嵌套排列即一 基因完全位于同向或是反向的另一基因的内含子之中, ,,，， 从果蝇常 染 色 质 基 因 组 的 资 料 来 看反 向 重 叠 基 因 是 最 具 代 表 性 的 类 型大 约 ,,:,:,,,,,,,, ,,的基因含有反向重叠的 ，,,是嵌套模式，同向重叠基因较少,:,,,,:,,:,,,,:,,, 反向排列 ,,, ，已知的重叠基因大部分都是相反方向两条链的反向重叠基因一般地重叠位点位于 或端,,,′′ ，，，非编码 基因序列例如 内含子和启动子元件的末端区域同时重叠区域也包括编码区基因反向排,,,,, ，，，、、列可能会 形成反义 通过形成双链 反向重叠基因参与各种生物学过程包括转录编辑,:,,:,,:, ,,,、剪 接稳定性和翻译,,:, , 会聚型,,,,, ,,,，,,各种生物信息学结果均表明会聚型反向重叠模式即头对头是最普遍的一种人类基因 ,,,) ,收稿日期 ,,,,:,:,:)),,,，，，，，作者简介成 亮男山西霍州人硕士山西生物应用职业技术学院助教主要从事植物分子生物学研究 ),,,,, ，端重叠这段 的保守序列为和 在 ,,,,,,,, ,,,,′, 它 ,,,,、, 们均提供多聚腺苷化 信 号在 ,,,,:,,,,,:,,,,,,,，和 汇聚型基因对中,,,,,,,,,,,,,, ,′,,,, 重 ，，叠形成的 双链通过掩蔽富含 的元件,:,,:, ,, ) 调节转录本的稳定性端重叠还可以干扰基因的可 ,,′ ， 、，剪接在蟾蜍小鸡和人类中有一对 保 守 的 重 叠 基 因,, ，和 它们是会聚型重叠基因参与转录后调控,, :,,,, ，的一个 典型例子具 有 多 聚 位 点产 生 ,,,,, ,,:,,, ，的 转 录 本在长度上有所不同它可翻译产生,′,,, , 种不同生 物特 性 的 蛋 白 亚 基较 长 的 ,,,,, ,,,, ′ ，和 的相互作用会干扰 的翻译从:,,,, ,,:,,,,,, ,,,而调控不同 蛋白亚基的产生, 分离型 ,,,,, ,以上的人 类 基 因 属 于 分 离 型 重 叠 基 因 即 尾 对 ,:, ,，，尾它们与其反方向 链的端重叠重叠区域,:, ,′ 小于 ，其中较多的基因对共用双向启动子和其他调控元 ,,,, ，件少数情况下转录单位也出现重叠, 分离型反向重 叠 基 因 的 生 物 功 能 目 前 还 不 清 楚然 , ，，而共用端的基因可能会利用这种编排通过公共,′ 注,白色和黑色箭头分别代表重叠基因和它们的转录的启 动子元件来使 他 们 协 同 表 达共 用 双 向 启 动 子 的 基 ,，,向同向和反 向 排 列 中重叠基因可共用外 显 子 ,,,,因 具 ，，有相同的表达模式在一些情况下他们的结构或,，，和 内含子和调控序列嵌 套 排 列 中内 含 子 用 ,,,,功能也 相互关联和 是具有相似生物功能但结构 段折线来代表,,,,, ,,,,, ,不相关的重叠 基 因这 两 个 基 因 编 码 脊 椎 动 物 中 嘌 呤 核, 图 重叠基因的种类, ,,:，苷酸从头合成途径中的两个酶共用一个含有可使其协同表达的顺式作用元件的双向启动子端,,′重叠 ,,,,,,,构相关的基因包括 和 钙蛋白酶超家族中的成,,,:,,,,:, :,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ，，，和 是人类分离型反向重叠基因共用第一个外显子分 别 对 应 的 是 的 非 编 码 区 ,,,:,,,,:,,,,:, 的非编码区和编码区 ,,,:,, 其他,,,,, ，一些其他反向重叠基因不能被划分为会聚型或分离型他们的特征是较短的基因完全位于另一较长 ，，，，基因中且共用内含子和外显子序列例如是颅面骨骼发育中编码 的基因其重,,,,,,,,,,,,,,,,,,:, ,,，基因是反义非编码 基因长度横跨 内含子和外显子表达与 ,:, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,:, ,,)) ，，蛋白的合成呈负相关此外正义和反义转录本合成水平的平衡在体内可以调节 蛋白的合成这是 ,,,,, ,,,为互补 的互相作用可以保护 防止剪接,:,,,,,,, 同向排列,,, ，，同向排列的重叠基因指位于同一条 链上方向相同而且相互重叠的基因已被报道数量并不多 ,:, ，仅有上百个尽管通过生物信息学基因组筛选可以查找出更多的同向排列重叠基因但这种类型可能是最 , ，的一种这也与在果蝇基因组中观察到的比例一致同向排列往往是在其终止区重叠或者一个基因完全 ,, ,,于另一基因包括外显子和内含子之中, ,人类基因对 是平行排列但不在转录水平表现的重叠基因重叠区域包括 ,,,,,,,,,,, ,,,,, ,,,:，，,,启动子和包括 端 部分 的此外和 ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,:,,,,,, ,,,:,,,:′′)是包, ,高等真核生物中重叠基因研究成 亮等第期 , ,,, ，白质此外大多数的嵌套基因相对于寄主基因是反向排列 ,, 反义转录本的生物功能 , ，生物基因组中不在同一位点的基因其 有互补重叠的现象称为互补或自然反义转录本,,:, ,,,:,, ,,,,,和 已报 道 原 核 生物中的 互补转录本的存在有很多作用虽然真核生物反义 相 对 正 义 ,,,,,,,,,:,, ，，，、的作用还未明确确定但研究已表明它们可能在基因表达的多个水平发挥作用例如转录,:,,,,:, 、、、，加工剪接稳定性运输和翻译互补转录本一般不会编码蛋白质而是与被调控基因杂交从而调控其表达 ,,，，,、目前种可能的机理可用于解释这些转录本如何调控基因的表达分别是转录水平的干扰 ,,:, ,,,,,,, 和双链 依赖的机理,:, , 转录水平的干扰 聚合酶催化的转录需要双链 的解螺旋和大分子蛋白复合物的参与 ,:, ,:, ,,,? ，， 互相重叠的转录单位不论是否共用外显子都不大可能同时开始转录通过对酿酒酵母中 和,,,,,: ,,,,，，，,基因重排的研究发现当两基因排列方向相向且不重叠时二者转录均为正常水平但若二者发 ,,,: ，，，生重叠则转录减弱此外编码人类 蛋白的基因与一反义 相关且正义和反义 的转 ,,,,,,,,, ,:, ,:, ,,,,,,,录过程也是负相关的这些资料表明顺式自然反义转录本的表达受到竞争性转录水平干扰的 ,,,,:,,) ，，，调控然而在其他一些位点正义和反义转录也不是总是互相排斥制约的例如组氨酰合成酶基因 ,,,,:, ) ，，与其反义基因 目前虽然还不清楚转录水平的干扰是否存在但它们却在不同的器官中表达和 ,:,,,,,, ,,,,，,,，“”是果蝇中端重叠两个基因它们都具有持家功能说明转录本虽然互补,,,, ,,:,,,,,,,,′,,, 有表现出干扰但并没 , ,,,,:, ,,,,,, , ， 正义和反义 形成的双链体可能会掩蔽一些作用于 的调控信号并且阻止反式作用因子的结,:, ,:, ,,,,合甲状腺激素受体基因以尾对尾的方式与 重叠基因有 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,),),,,,,，个亚型亚型的表达会受到互补的 反义干扰的负调控这说明由于阻止了顺式 ,,,,,, ,,,,,, ,,:, ,, ，调控元件的结合反义 特异性抑制了 的可变剪接,:, ,,:, , ,,,,依赖的机理和 干扰,,, ,,,:, ,,,:,,,,,,,,,,:, ,:,,,,,,,,,,,,,), ，， 研究表明重叠基因的相互作用可以通过 依赖的途径来影响基因表达包括 编辑或依赖,,,:, ,:, ，干扰的基因沉默正义和反义 可能形成 较长的双 链 区 域 可 能 通 过 编 辑 被 修 饰 ,:, ,,:, ,,,:,,:, ,,,,,,,和 描述了编码非洲蟾蜍生长因子基因与其反义链形成尾对尾的互 ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,:,,,,,, , ，，补转录本这个反义基因 也编码一个蛋白但同时直接影响正义 可将部分腺嘌呤残基转换为 ,:,,,,,:, ，，，次黄嘌呤核苷从而改变正义 的信息导致 的快速降解此外可能会通过 干扰,:, ,:,,,,,,:,, ,:, ,，,机理被消化成的小片段可以识别 长链上的同 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,:,,,,,,:,, ,,:, ),, ，,,源区域并将其特异性降解对于果蝇 家族一种酪蛋白激酶重复基因的研究可以说明正义反义 ,,,,,,,,,? 可以通过 依赖机理导致基因沉默脊椎动物内源 是否可以引发 和基因沉默还需 ,:, ,:,,,:,,,,:,, 进一步研究, 重叠基因和人类疾病之间的关系 , ，反义 可以通过各种方式影响基因表达同时一些重叠基因也在病理表现中发挥作用如 ,:, ,,,,,, ，，的最后一个外显子重叠的基因 在皮肤成纤维细胞调节胶原沉着中是必需的并且它也是人类 ,,,,,,,,,,,,:，，，综合症 的 一 个 致 病 基 因基 因 产 物与 重 叠和 错 配 修 复 有 关它 与 ,,,,,,,,,,:,,,,,, :,,, ,:, ) ，形成的二聚体复合物结合到错配碱基处与 一起产生作用突变体与遗传非息肉性结 ,,,,,,,, ,,,,, ,,,,，直肠癌有关此外此蛋白的突变可导致人类前列腺癌中的微型不稳定性这些仅仅是重叠基因与人类疾 ,, ，，病有关的个例这种类型重叠基因的数量还在不断增加指出在人类染色体和上分别有和,,,,,,,,,,,,, ,,,,个致病基因与基因重叠有关,, 结语 , 基因重叠是真核生物基因组中的一个普遍特征重叠基因可能通过重排或者接受相邻基因信号形成一,, ，般根据两基因的编排方式基因重叠可能有不同的结果最明显的正效应是反向排列可能会产生在基因表 , ，，调控中发挥作用的 分子同时同向排列重叠基因在一些情况下是彼此相关的它们的表达可能 ,,,:, , 其特殊排列方式调控, ,参考文献 ,, ，，,,，，,,,,,,,,,, ,,,,, ,,,,,,,,:,, ,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,:, :,:,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,) ,, ，,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,:,,,,,,,,:,,,,,, ,:,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,:,,, :,,,,,:,,:,, ,,,, ，，,:,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,) ,, ，，,,，,,,,,, ,,::,,,,,,,,,, ,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,:,,:,,:,,,,,,,,,,,:,,,,, ,,,,,,,, ,,,,::,,,,,,,,) ,, ,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,:,,,,,,,,,,,:,,,,,,,:,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:, ,,,,,,,,,,,, ，,,,,, ,,,:,,,,,::,,,, ,, 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,,,,:,,:,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,:,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,:,:,,:,,,,,, ———,,,,,,,,,,,:,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,, , ,,::,,, ,，，，,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,:,:::,,,,,, ,,,, 〔〕 ,:,,,,,,,,:,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:, ,,,,,,,,,,),,:,,,,,,,,,,,,,:,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,:,,:,,,,,, ,,,,, ’,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,:,,,,,,:,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,:,,:,,,,,,,:,,,,,,:,,,,,,,,,,,,, ，,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,:,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, " ,,,,:,:,,:,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,:,,,:,,,,,,,,,,,:,:,,:,,,,,,,,,,:,,,:,) ,, " ,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,:,,,,, 〔〕 ,,,,,:,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,:,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,:,:,,:,,,,,,,,,,,:,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,, 【,】责任编辑张丽萍