神经轴突变向因子Netrin和其受体Frazzled的进化机制研究

摘要

轴突导向因子Netrin配体和Fra受体的相互作用，不仅对神经系统的形成起到重要的导向作用，而且对非神经系统组织的形成也具有重要导向作用。Netrin和Fra在进化过程中都相当保守，但目前为止它们进化的机制还不清楚。本实验从NCBI，Ensembl和Flybase等数据库中搜集了已经公布的所有无脊椎类和脊椎类Netrin序列和Fra的序列，分别构建了系统进化树，研究其系统进化关系，探明了Netrin和Fra共进化的机制。本研究主要结果如下:
　　1)轴突导向因子Netrin的进化分析。采用NJ法构建了整个Netrin家族成员的系统发生树，并通过氨基酸多重序列比对和SMART在线预测的方法确定了Netrin家族各成员的蛋白质二级结构。Netrin家族成员按其N-端区域与层黏连蛋白Laminin对应结构域的相似性可分为γ-Netrin和β-Netrin。γ-Netrin的Ⅵ区和Ⅴ区与Lamininγ链的对应结构域同源;而β-Netrin的Ⅵ区和Ⅴ区则与Lamininβ链的对应结构域同源。γ-Netrin包括脊椎类Netrin-1，-2/3，-4，-1k/5以及节肢类Netrin，线虫UNC-6和扁形类Netrin-1/-2等;β-Netrin则包括脊椎类Netrin-4和Netrin-Gs，还有无脊椎类Netrin-4。扁形动物Netrin-1和Netrin-2虽然属于γ-Netrin，但它们与其他γ-Netrin成员的亲缘关系很远。典型的Netrin蛋白从N-端至C-端依次为信号肽，Ⅵ结构域，3个重复的Ⅴ结构域和富含碱性氨基酸的C区。但哺乳类Netrin-5缺失Ⅵ区，而脊椎类Netrin-Gs的C'区富含疏水氨基酸。
　　2)轴突导向因子Fra受体的进化分析。采用NJ法构建了Fra家族的系统发生树，并通过氨基酸多重序列比对和SMART在线预测的方法确定了Fra家族各成员的蛋白质二级结构。Fra家族成员包括脊椎类DCC和Neogenin，线虫UNC-40，扁形类Fra以及其他无脊椎类Fra，其中扁形类Fra与Fra家族其他成员的亲缘关系最远。无脊椎动物均只含单拷贝fra，从半索动物与脊椎动物的分歧后，fra经过一次复制形成单拷贝dcc和单拷贝neogenin，然而鸟类基因组中丢失了dcc基因。典型的Fra从N-端至C-端依次为信号肽，4个重复的Ig区，6个重复的FNⅢ型蛋白，单跨膜区和胞内的P1，P2和P3等3个保守的P功能区。线虫UNC-40缺失了P2区，而涡虫则缺失了第3个FN区和胞内前两个P功能区。
　　3) Netrin和Fra的共进化分析。通过计算脊椎类Netrin和Fra之间进化距离的皮尔逊相关系数对脊椎类Netrin和Fra的系统发生树进行定量分析，并采用密码子替代模型检测netrin和fra基因在无脊椎动物和脊椎动物所受的进化压力及正选择位点。相关分析结果表明脊椎类Netrin和Fra的进化距离在99％水平上正相关，并且配体-受体间进化距离的相关性显著高于对照。选择压力分析结果表明Netrin配体和Fra受体在线虫类祖先(nematode)，双翅目昆虫类祖先(dipteran)，膜翅目昆虫类祖先(hymenopteran)，冈比亚按蚊（agam），半索动物柱头虫(skow)和硬骨鱼类祖先(teleost)等同时受到正选择，并且一些正选择位点位于Netrin-Fra的互作区。进一步分析表明，位于互作区的正选择位点几乎全都位于Netrin和Fra蛋白的表面。
　　本研究阐明了轴突导向因子Netrin和Fra各自的进化历程，以及Netrin和Fra的共进化机制，为研究Netrin和Fra的功能以及配体受体的共进化机制提供了理论依据。