真核生物中支架蛋白家族(IQGAPfamily)的分子進(jìn)化分析

熱孜亞·吾買爾，曹立環(huán)，余 龍

(1. 復(fù)旦大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,上海 200438; 2. 復(fù)旦大學(xué) 遺傳工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200438)

真核生物中支架蛋白家族(IQGAPfamily)的分子進(jìn)化分析

熱孜亞·吾買爾1,2，曹立環(huán)1,2，余 龍1,2

(1. 復(fù)旦大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,上海 200438; 2. 復(fù)旦大學(xué) 遺傳工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200438)

支架蛋白家族(IQGAP family)廣泛存在于真核生物中，在細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、骨架運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞分裂的過(guò)程中都有著重要功能．研究分析IQGAP蛋白家族的分子進(jìn)化，有助于深入全面地了解整個(gè)IQGAP蛋白家族在不同物種中功能．通過(guò)使用相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，在35個(gè)真核生物物種中檢索到了70個(gè)支架蛋白家族成員的序列信息，并對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的分子進(jìn)化研究．我們發(fā)現(xiàn)： 支架蛋白家族基因廣泛存在于后生動(dòng)物(Metazoan)、真菌(Fungi)、變形蟲界(Amoebozoa)以及其他一些真核生物中，提示支架蛋白存在于最后的真核生物的共同祖先(Last Eukaryotic Common Ancestor, LECA)．系統(tǒng)發(fā)育分析表明脊椎動(dòng)物的IQGAP蛋白和非脊椎動(dòng)物中代表性IQGAP基因共享一個(gè)共同的祖先基因，單個(gè)的IQGAP祖先基因在早期脊椎動(dòng)物中(在四足總綱和硬骨魚綱的分離之前)，發(fā)生了兩次基因復(fù)制事件，導(dǎo)致現(xiàn)存的脊椎動(dòng)物中3組IQGAP基因(IQGAP1，IQGAP2，IQGAP3)產(chǎn)生．

真核生物； 支架蛋白家族； 分子進(jìn)化分析

基因的分子進(jìn)化研究能通過(guò)序列同源性的比較，系統(tǒng)發(fā)育樹的構(gòu)建等方法研究基因在不同物種中的起源，復(fù)制，突變，丟失的信息，這有助于人們了解在不同生物物種中基因結(jié)構(gòu)變化及其功能衍化的規(guī)律，使人們更深入全面地了解基因的功能．

支架蛋白家族(IQGAP family)是一種進(jìn)化上保守的多結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)，IQGAP蛋白在酵母，魚類，非洲爪蟾和哺乳動(dòng)物中，都有廣泛表達(dá)[1]．在真菌中，釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)IQGAP同源蛋白iqg1和裂殖酵母(Schizosaccharomycespombe)IQGAP同源蛋白R(shí)NG2都在胞質(zhì)分裂過(guò)程中發(fā)揮重要作用，兩者都定位于細(xì)胞收縮環(huán)和負(fù)責(zé)招募其他參與細(xì)胞分裂的蛋白[2-3]．變形蟲界的盤基網(wǎng)柄菌(Dictyosteliumdiscoideum)的兩種IQGAP同源蛋白R(shí)GAA和GAPA也都被發(fā)現(xiàn)在胞質(zhì)分裂時(shí)發(fā)揮關(guān)鍵作用[4-5]．人擁有3個(gè)IQGAP家族的成員(IQGAP1，IQGAP2和IQGAP3)，研究發(fā)現(xiàn)，IQGAP家族的成員在各組織中有不同表達(dá)模式．人IQGAP1蛋白在人體的組織中廣泛表達(dá)，而人IQGAP2僅表達(dá)于肝臟和睪丸，人IQGAP3主要在腦和肺中表達(dá)[6]．當(dāng)前，人們對(duì)IQGAP蛋白的研究主要集中在IQGAP1蛋白．IQGAPl分子大小190kD，位于染色體15q26．IQGAPl有鈣調(diào)理蛋白同源結(jié)構(gòu)域(Calponin Homology Domain, CHD)，IQ結(jié)構(gòu)域(IQ domain)，聚脯氨酸結(jié)合區(qū)(polyproline binding region, Ww)，RasGAP結(jié)構(gòu)域(RasGap domain)，以及在蛋白C末端的PfamRasGAP_C結(jié)構(gòu)域[7]．其中，IQGAPl的鈣調(diào)理蛋白同源結(jié)構(gòu)域能結(jié)合肌動(dòng)蛋白(Actin)，聚脯氨酸結(jié)合區(qū)能結(jié)合ERK蛋白，IQGAP1上的RasGap結(jié)構(gòu)域能結(jié)合Cdc42蛋白和Rac1蛋白，PfamRasGAP_C 結(jié)構(gòu)域能結(jié)合鈣黏附蛋白E(E-cadherin)和β-鏈蛋白(β-catenin)，IQGAP1被認(rèn)為是一個(gè)介導(dǎo)多個(gè)信號(hào)通路的樞紐，參與細(xì)胞生長(zhǎng)、分化和分裂[8]．人IQGAP1和IQGAP3在HeLa細(xì)胞的胞質(zhì)分裂中發(fā)揮重要作用，RNA干擾IQGAP1或IQGAP3地表達(dá)能導(dǎo)致胞質(zhì)分裂受阻，多核細(xì)胞產(chǎn)生[9]．

最近，關(guān)于人IQGAP家族在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用也引起了人們的注意．在肝癌細(xì)胞中，人IQGAP1蛋白表達(dá)水平顯著上升，而人IQGAP2蛋白表達(dá)水平卻下降[10]．同時(shí)，肝癌病人中的人IQGAP1，IQGAP2的表達(dá)水平與病人的愈后相關(guān)[11]．

盡管IQGAP蛋白家族分子被發(fā)現(xiàn)和研究已經(jīng)20多年了，但人們對(duì)整個(gè)IQGAP家族在多種生物中的功能研究依然十分有限，對(duì)IQGAP蛋白家族的分子進(jìn)化歷史的了解也不明確．當(dāng)前，隨著越來(lái)越多生物的基因組被完全測(cè)序，使我們有機(jī)會(huì)在相對(duì)廣泛的真核生物物種中探討IQGAP基因的分子進(jìn)化歷史，了解不同物種間的IQGAP分子以及同一物種間不同的IQGAP分子之間的進(jìn)化關(guān)系，幫助我們進(jìn)一步深入地理解IQGAP蛋白的功能．

1 材料與方法

1.1真核生物中IQGAP蛋白的檢索

我們下載了SMART蛋白結(jié)構(gòu)域數(shù)據(jù)庫(kù)[12](http：∥smart.embl-heidelberg.de/)中RasGAP結(jié)構(gòu)域(SM00323)的種子序列(alignment Consensus sequences)的序列，利用HMMER程序在非冗余蛋白序列數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行HMM搜索(http：∥hmmer.janelia.org/search/hmmsearch)[13]，所得到的序列在計(jì)算機(jī)上用BLAST程序?qū)θ说鞍仔蛄袛?shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行BLAST搜索[14]，僅保留其中BEST Hit為人IQGAP蛋白的序列，而其他的BEST Hit為人RASA1, RASL3等蛋白則被丟棄．對(duì)于每一個(gè)潛在的IQGAP家族基因，我們最后只收錄蛋白序列最長(zhǎng)的剪接本，其他剪接本或重復(fù)提交序列都沒(méi)有被最后收錄．最后，我們選擇了35個(gè)物種中的IQGAP蛋白進(jìn)行研究，35個(gè)物種中包含16個(gè)后生生物物種：Homosapiens(人);Musmusculus(小鼠);Rattusnorvegicus(大鼠);Bostaurus(牛);Gallusgallus(原雞);Xenopuslaevis(非洲爪蟾);Xenopustropicalis(熱帶爪蟾);Daniorerio(斑馬魚);Tetraodonnigroviridis(綠河豚);Cionaintestinalis(玻璃海鞘);Cionasavignyi;Branchiostomafloridae(文昌魚);Caenorhabditiselegans(線蟲);Nematostellavectensis(?？?;Trichoplaxadhaerens(絲盤蟲)；Amphimedonqueenslandica(海綿)．3個(gè)和后生動(dòng)物(Metazoa)親緣關(guān)系很近的原生生物物種：Monosigabrevicollis;Salpingoecarosetta;Capsasporaowczarzaki．8個(gè)真菌(Fungi)物種：Allomycesmacrogynus;Candidaalbicans(白念珠菌);Coccidioidesimmitis(粗球孢子菌);Coprinopsiscinerea(灰蓋鬼傘);Neurosporacrassa(粗糙鏈孢霉);Saccharomycescerevisiae(釀酒酵母);Schizosaccharomycespombe(裂殖酵母);Spizellomycespunctatus．5個(gè)歸屬于變形蟲界(Amoebozoa)的物種：Acanthamoebacastellanii(卡氏棘阿米巴);Dictyosteliumdiscoideum(盤基網(wǎng)柄菌);Dictyosteliumpurpureum;Entamoebahistolytica(溶組織內(nèi)阿米巴);Polysphondyliumpallidum; 以及其他的3個(gè)物種：Naegleriagruberi(尾刺耐格里原蟲);Thecamonastrahens;Spongosporasubterranean．

1.2蛋白結(jié)構(gòu)域組成分析

利用SMART蛋白結(jié)構(gòu)域數(shù)據(jù)庫(kù)[12](http：∥smart.embl-heidelberg.de/)和Pfam蛋白結(jié)構(gòu)域數(shù)據(jù)庫(kù)[15](http：∥pfam.xfam.org/)對(duì)我們所收集的70個(gè)蛋白進(jìn)行結(jié)構(gòu)域組成分析．

1.3蛋白多序列比對(duì)和系統(tǒng)發(fā)育分析

我們利用Mafft程序[16]，參數(shù)設(shè)定為(L-INS-I)，進(jìn)行蛋白序列的多序列比對(duì)．我們選擇多序列比對(duì)中的最保守區(qū)段(IQGAP蛋白中的RasGap結(jié)構(gòu)域部分)進(jìn)行進(jìn)一步的系統(tǒng)發(fā)育分析，我們先用ProtTest2.4程序[17]，利用Akaike Information Criterion(AIC)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算了相應(yīng)的最優(yōu)蛋白替代模型，然后用最大似然法(Maximum Likelihood, ML)和貝葉斯推斷法(Bayesian Inference, BI)構(gòu)建進(jìn)化樹．我們基于CIPRES Science Gateway V. 3.1[18]利用RAxML 7.2.8程序[19]構(gòu)建ML樹，bootstrap值設(shè)定為1000；用PHYLOBAYES3.3程序[20]構(gòu)建貝葉斯進(jìn)化樹，停止蒙特卡羅馬爾可夫鏈計(jì)算的參數(shù)設(shè)定為Maxdiff<0.1，并使用Dendroscope程序[21]顯示所有進(jìn)化樹．

2 結(jié) 果

2.1IQGAP蛋白的檢索

我們最后檢索到35個(gè)真核物種中的70個(gè)IQGAP蛋白的序列信息，所有IQGAP蛋白合乎下列3個(gè)條件： (1)含有RasGap結(jié)構(gòu)域(SM00323)或pfamRasGap結(jié)構(gòu)域(PF00616);(2)這些蛋白對(duì)人蛋白序列數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行BLAST搜索，Best hit為人的IQGAP1，IQGAP2或IQGAP3蛋白；(3)所有蛋白含有PfamRasGap_C(PF03836)結(jié)構(gòu)．我們發(fā)現(xiàn)這些蛋白分布在后生動(dòng)物、真菌、變形蟲界和其他的原生生物中，具體結(jié)果見表1．本文中蛋白名稱均依據(jù)Uniprot蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)．

表1 代表性真核生物物種中的IQGAP蛋白

注： 此表的數(shù)據(jù)，在匯集本文鑒定的IQGAP家族蛋白的同時(shí)，部分整合了本文圖2中系統(tǒng)發(fā)育分析的數(shù)據(jù)，其中脊椎動(dòng)物IQGAP被成功地歸類于3個(gè)小組(IQGAP1，IQGAP2，IQGAP3)，而其他物種的IQGAP蛋白未能進(jìn)行這三個(gè)小組的分類．用黑體標(biāo)注的蛋白被認(rèn)為是脊椎動(dòng)物IQGAP的直系同源基因(參見正文)．

2.2各物種中IQGAP蛋白的蛋白結(jié)構(gòu)域組成

首先，我們研究了這些蛋白的蛋白結(jié)構(gòu)域的組成，我們發(fā)現(xiàn)，大部分IQGAP蛋白(圖1，蛋白4～13)都含有鈣調(diào)理蛋白同源結(jié)構(gòu)域，IQ結(jié)構(gòu)域，RasGAP結(jié)構(gòu)域，以及在C末端的PfamRasGAP_C結(jié)構(gòu)域．但在相當(dāng)多的真菌和變形蟲來(lái)源的IQGAP蛋白，例如來(lái)源于變形蟲界的L8GLC0_ACACA、L8HI44_ACACA、Q54I64_DICDI、RGAA_DICDI、GAPA_DICDI等蛋白,以及來(lái)源于真菌的0A0L0T9F0_ALLMA、J3KKA8_COCIM、A8NUP6_COPC7、Q7S5G6_NEUCR、AP1_SCHPO等蛋白，缺失鈣調(diào)理蛋白同源結(jié)構(gòu)域和IQ結(jié)構(gòu)域，但這些蛋白中的RasGAP結(jié)構(gòu)域和C末端的PfamRasGAP_C結(jié)構(gòu)域依然存在，限于篇幅，圖1中僅顯示了3個(gè)此類代表性蛋白(蛋白1～3)，這顯示RasGAPs和PfamRasGAP_C這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域是IQGAP家族最為核心的區(qū)域．另外，我們只在部分IQGAP蛋白(圖1，蛋白7，8，11)中檢測(cè)到聚脯氨酸結(jié)合區(qū)(Ww)蛋白結(jié)構(gòu)域．

圖1 真核生物中代表性IQGAP蛋白的結(jié)構(gòu)域組成Fig.1 Domain organization of representative IQGAP proteins in Eukaryotes真核生物中的代表性IQGAP蛋白，依次標(biāo)示了蛋白名稱、序列長(zhǎng)度、物種名稱和結(jié)構(gòu)域組成．蛋白名稱依據(jù)Uniprot蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)構(gòu)域組成依據(jù)SMART蛋白結(jié)構(gòu)域數(shù)據(jù)庫(kù)和Pfam蛋白結(jié)構(gòu)域數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)果．

2.3真核生物中IQGAP蛋白的系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果

因?yàn)閬?lái)源于線蟲的O17772_CAEEL蛋白，釀酒酵母的IQG1_YEAST蛋白，裂殖酵母的RNG2_SCHPO蛋白，白念珠菌的IQG1_CANAL蛋白盡管是IQGAP的同源蛋白，但這4個(gè)蛋白與其他的IQGAP蛋白序列差異較大，會(huì)干擾我們整個(gè)系統(tǒng)發(fā)育分析的可信度．為了獲得有效的系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果，我們的分析中沒(méi)有涵蓋上述的4個(gè)蛋白．這樣，我們對(duì)70個(gè)蛋白中余下的66個(gè)蛋白進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)育分析．由于來(lái)源于動(dòng)物、真菌、變形蟲界等的IQGAP蛋白相互之間的進(jìn)化距離較遠(yuǎn)，故這些IQGAP蛋白序列比對(duì)中某些區(qū)域的序列相似性也較差．為獲得可信的系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果，我們選擇IQGAP蛋白中的最保守蛋白序列區(qū)段(IQGAP蛋白中的RasGap domain部分)進(jìn)行多序列比對(duì)和進(jìn)化分析．

我們對(duì)上述66個(gè)IQGAP家族的基因的蛋白序列用最大似然法(ML)和貝葉斯推斷法(BI)進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)育分析，來(lái)自人的RASA1_HUMAN, RASL3_HUMAN和SYGP1_HUMAN蛋白設(shè)定為我們進(jìn)化分析的外類群(outgroup)，結(jié)果顯示最大似然法(ML)和貝葉斯推斷法(BI)產(chǎn)生了幾乎相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖2)．在圖2中所有的IQGAP蛋白家族也總結(jié)于表1．

圖2顯示，所有的來(lái)自脊椎動(dòng)物(人，小鼠，大鼠，牛，原雞，非洲爪蟾，熱帶爪蟾，斑馬魚，綠河豚)的IQGAP蛋白都可以很好地歸類到3個(gè)IQGAP組，分別為IQGAP1Group,IQGAP2Group,IQGAP3Group．同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)，來(lái)自?？腁7SXE3_NEMVE，絲盤蟲的B3RR54_TRIAD，海綿的I1F9L9_AMPQE蛋白和脊椎動(dòng)物中的IQGAP蛋白很好的歸類到一起(圖中標(biāo)示為IQGAPsinAnimalia)，這一結(jié)果提示這些基因應(yīng)共享一個(gè)共同的祖先基因．事實(shí)上，從圖中可以看到，一些來(lái)源于后生動(dòng)物進(jìn)化關(guān)系最近的單細(xì)胞生物的IQGAP蛋白(如A9USM2_MONBE，F(xiàn)2TWA6_SALR5)，一些來(lái)源于真菌的IQGAP蛋白(圖中標(biāo)示為IQGAPsinFungi)和一些來(lái)源于變形蟲界的IQGAP蛋白(圖中標(biāo)示為IQGAPsinAmoebozoa)，都可被認(rèn)為是脊椎動(dòng)物中的IQGAP蛋白直系同源基因．這提示最后的真核生物的共同祖先(Last Eukaryotic Common Ancestor, LECA)已擁有支架蛋白家族基因這一古老的基因．

盡管脊椎動(dòng)物IQGAP蛋白與真菌的IQGAP蛋白，變形蟲界的IQGAP蛋白共享一個(gè)共同的祖先基因，但脊椎動(dòng)物中3組IQGAP基因(IQGAP1，IQGAP2，IQGAP3)的形成卻發(fā)生于相對(duì)晚近的時(shí)期．我們的分析結(jié)果顯示在早期脊椎動(dòng)物(在四足總綱和硬骨魚綱的分離之前)一個(gè)IQGAP的祖先基因，發(fā)生了兩次基因復(fù)制事件，其中第一次復(fù)制，形成IQGAP1/2的祖先基因和IQGAP3基因，然后，所產(chǎn)生的IQGAP1/2的祖先基因再次發(fā)生基因復(fù)制，產(chǎn)生相應(yīng)的IQGAP1和IQGAP2基因，這兩次基因復(fù)制事件導(dǎo)致脊椎動(dòng)物中3組IQGAP基因(IQGAP1，IQGAP2，IQGAP3)形成(圖3，見第380頁(yè))．

在進(jìn)一步對(duì)多種脊椎動(dòng)物和非脊椎動(dòng)物中的IQGAP蛋白進(jìn)行多序列比對(duì)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)人，小鼠，大鼠，牛的IQGAP2基因的蛋白序列相對(duì)于它們對(duì)應(yīng)的IQGAP1和IQGAP3發(fā)生了長(zhǎng)度為84個(gè)氨基酸的片段缺失(圖4，見第380頁(yè))，其缺失的片斷位于IQGAP蛋白的鈣調(diào)理蛋白同源結(jié)構(gòu)域和IQ結(jié)構(gòu)域之間．因?yàn)榧棺祫?dòng)物中熱帶爪蟾和斑馬魚中IQGAP2基因，以及非脊椎動(dòng)物中相應(yīng)直系同源基因(如海鞘的H2Z719_CIOSA，海綿的I1F9L9_AMPQE基因)未見此類型的蛋白片段缺失．提示部分脊椎動(dòng)物中發(fā)生此類片斷缺失發(fā)生在相對(duì)晚近的時(shí)期．但此類發(fā)生在部分脊椎動(dòng)物中的IQGAP2基因片斷缺失對(duì)IQGAP蛋白的功能影響還未見報(bào)道．

圖2 真核生物中IQGAP蛋白的系統(tǒng)發(fā)育分析Fig.2 Phylogenetic analysis of IQGAP proteins in Eukaryotic lineages對(duì)真核生物中IQGAP家族的的蛋白序列用最大似然法(ML)和貝葉斯推斷法(BI)進(jìn)行了系統(tǒng)發(fā)育分析，結(jié)果顯示最大似然法(ML)和貝葉斯推斷法(BI)產(chǎn)生了幾乎相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)．進(jìn)化樹分支中的第一個(gè)數(shù)字表明貝葉斯后驗(yàn)概率(只有這些關(guān)鍵分支被標(biāo)記)，進(jìn)化樹分支中的第二個(gè)數(shù)字顯示最大似然法中最大似然比．來(lái)自人的RASA1_HUMAN, RASL3_HUMAN,和SYGP1_HUMAN蛋白設(shè)定為我們進(jìn)化分析的外類群(outgroup)．蛋白名稱依據(jù)Uniprot蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)．

圖3 IQGAP基因在早期脊椎動(dòng)物中復(fù)制的示意圖Fig.3 Summaries of the gene duplication events for IQGAP genes in early vertebrataIQGAP的祖先基因在早期脊椎動(dòng)物(在四足總綱和硬骨魚綱的分離之前)發(fā)生了兩次基因復(fù)制事件，導(dǎo)致脊椎動(dòng)物中3組IQGAP基因(IQGAP1，IQGAP2，IQGAP3)的形成．

圖4 脊椎動(dòng)物和非脊椎動(dòng)物IQGAP蛋白的多序列比對(duì)Fig.4 Multiple sequence alignment of IQGAP proteins from vertebrate and invertebrate lineages來(lái)自人、小鼠、牛、斑馬魚、熱帶爪蟾、海鞘、海綿等的IQGAP蛋白進(jìn)行多序列比對(duì)(僅顯示與IQGAP2蛋白序列片斷缺失相近區(qū)域部份)．蛋白名稱依據(jù)Uniprot蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)．

3 討 論

我們檢索了整個(gè)真核生物蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)中的IQGAP家族蛋白，發(fā)現(xiàn)IQGAP蛋白在植物中缺失；然后，我們選擇了35個(gè)真核生物物種作為我們的研究范圍，對(duì)這些物種的選擇，首先考慮了物種廣泛性，35個(gè)真核生物物種包含了16種動(dòng)物物種，3種和后生動(dòng)物親緣關(guān)系很近的單細(xì)胞物種，8種真菌物種，5種變形蟲界和3種其他的物種．這些物種中包含了在動(dòng)物進(jìn)化歷史上有重要意義的代表性的生物．例如： 扁盤動(dòng)物門(Placozoa)中絲盤蟲(T.adhaerens)是一種原始的后生動(dòng)物，被認(rèn)為是目前發(fā)現(xiàn)的最簡(jiǎn)單的真后生動(dòng)物(Eumetazoan)，蟲體由上下兩層細(xì)胞構(gòu)成，無(wú)體腔，無(wú)消化腔，無(wú)神經(jīng)系統(tǒng)[22]．刺胞動(dòng)物門(Cnidaria)的?？?N.vectensis)是一個(gè)非兩側(cè)對(duì)稱動(dòng)物[23]．領(lǐng)鞭毛蟲類(Choanoflagellate)的M.brevicollis被認(rèn)為是與后生動(dòng)物進(jìn)化關(guān)系最近的單細(xì)胞生物，在研究后生動(dòng)物的起源和多樣化有重要的價(jià)值[24]．盤基網(wǎng)柄菌(D.discoideum)作為一種土壤變形蟲，具有特殊的能力，能以單細(xì)胞形式和多細(xì)胞形式交替的方式存在．在生物的進(jìn)化譜系上，盤基網(wǎng)柄菌和后生生物的分離，早于酵母和后生生物的分離，但晚于植物和后生生物的分離[25]．

在研究方法上，在同源蛋白搜索中，我們結(jié)合了HMMer方法[13]和BLAST方法[14]，以保證方法的靈敏性和可靠性．多序列比對(duì)所用的Mafft程序[16]，系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建所用的最大似然法的RAxML 7.2.8程序[17]和貝葉斯法的PHYLOBAYES3.3程序[18]都是當(dāng)前國(guó)際上進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育研究的主流方法和程序，這也保證了我們結(jié)果的可靠性．

我們的研究結(jié)果表明，IQGAP基因存在于后生動(dòng)物、真菌、變形蟲界等真核生物中，在Excavata類的真核生物尾刺耐格里原蟲(Naegleriagruberi)，在有孔蟲界(Rhizaria)的Spongosporasubterranean中也發(fā)現(xiàn)了IQGAP的同源基因(表1)，這充分顯示了IQGAP基因廣泛分布于真核生物中，跟據(jù)上述物種在真核生物中的進(jìn)化關(guān)系[26]．我們認(rèn)為支架蛋白存在于LECA，即在后生動(dòng)物，真菌，變形蟲界和有孔蟲界等真核生物的物種分離之前，IQGAP基因就已經(jīng)存在．但是，變形蟲界IQGAP基因一般僅擁有RasGAP結(jié)構(gòu)域，C末端的PfamRasGAP_C結(jié)構(gòu)域．而后生動(dòng)物，真菌中的IQGAP基因除了含有RasGAP結(jié)構(gòu)域，C末端的PfamRasGAP_C結(jié)構(gòu)域外，往往還含有鈣調(diào)理蛋白同源結(jié)構(gòu)域，IQ結(jié)構(gòu)域(圖1)．關(guān)于各物種IQGAP基因的結(jié)構(gòu)域組成變化的進(jìn)化歷史，以及結(jié)構(gòu)域組成對(duì)IQGAP基因功能的影響將會(huì)是進(jìn)一步研究的對(duì)象．

但人的3個(gè)IQGAP基因是在早期脊椎動(dòng)物中的一個(gè)IQGAP的祖先基因通過(guò)發(fā)生了兩次基因復(fù)制事件后形成的．其中第一次基因復(fù)制，形成IQGAP1/2的祖先基因和IQGAP3基因，然后，所產(chǎn)生的IQGAP1/2的祖先基因再次發(fā)生基因復(fù)制，產(chǎn)生相應(yīng)的IQGAP1和IQGAP2基因(圖3)．這一結(jié)果與人IQGAP1，IQGAP2，IQGAP3基因相互之間較高的序列相似性相吻合．在人的3個(gè)IQGAP基因中，IQGAP1基因表達(dá)于人體絕大多數(shù)組織中，并受到廣泛的研究，而IQGAP2基因和IQGAP3研究則相對(duì)較少[6,27]．人的3個(gè)IQGAP基因，除了在人體各組織的表達(dá)譜不同以外，功能也有所不同[27]．人IQGAP1基因被認(rèn)為是一個(gè)癌基因(oncogene)，在肝細(xì)胞癌、肺癌、胃癌、乳腺癌表達(dá)上升[28]，而人IQGAP2基因在肝細(xì)胞癌，前列腺中表達(dá)下降[29-30]．實(shí)驗(yàn)研究還表明敲除IQGAP2基因的小鼠易發(fā)生肝癌，但敲除IQGAP1和IQGAP2雙基因的小鼠則能正常生存，提示IQGAP1基因和IQGAP2基因發(fā)生某種程度的功能拮抗[31]．而IQGAP3功能與人IQGAP1有相似性，兩者都能促進(jìn)肝細(xì)胞和乳腺上皮細(xì)胞的增殖[32-33]．這樣，IQGAP2相對(duì)IQGAP1和IQGAP3基因，有其功能的特殊性．有趣的是我們發(fā)現(xiàn)人，小鼠，大鼠，牛的IQGAP2基因的蛋白序列相對(duì)于它們對(duì)應(yīng)的IQGAP1和IQGAP3發(fā)生了長(zhǎng)度為84個(gè)氨基酸的片段缺失(見圖4)．現(xiàn)在還不清楚是否是IQGAP2上84個(gè)氨基酸的片段缺失造成了IQGAP2基因和IQGAP1基因的功能拮抗，進(jìn)一步研究IQGAP2基因上的84個(gè)氨基酸的片段缺失對(duì)IQGAP功能的影響將給我們以新的提示．

我們的研究明確揭示了IQGAP家族在早期脊椎動(dòng)物中的進(jìn)化歷史，即在早期脊椎動(dòng)物中發(fā)生了兩次基因復(fù)制事件，導(dǎo)致現(xiàn)存的脊椎動(dòng)物中3組IQGAP基因(IQGAP1，IQGAP2，IQGAP3)產(chǎn)生．人，小鼠，大鼠，牛的IQGAP2基因的蛋白序列相對(duì)于它們對(duì)應(yīng)的IQGAP1和IQGAP3發(fā)生了長(zhǎng)度為84個(gè)氨基酸的片段缺失．這些結(jié)果將有助于我們進(jìn)一步研究人和多種其他生物中IQGAP蛋白的功能．

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Abstract： IQGAP family proteins present widely in eukaryotic lineages, and play important roles in the process of cell signal transduction, cell skeletal movement and cell division. Analysis of the molecular evolution of the IQGAP protein family is helpful in understanding the function of the whole IQGAP protein family in different species. Here we retrieved 70 members of the IQGAP family in 35 eukaryotic species, and carried a comprehensive phylogenetic analysis. We found that IQGAP family proteins exist in Metazoan, Fungi, Amoebozoa, as well as some other eukaryotes, suggesting that the common ancestor of IQGAP family present in the Last Eukaryotic Common the Ancestor (LECA). Phylogenetic analysis also showed that vertebrate IQGAP genes shared a common ancestral gene with several representative non vertebrate IQGAP genes, and a single ancestral IQGAP gene duplicated two times in early vertebrates (before tetrapoda and teleostei divergence), resulting in three groups of IQGAP genes (IQGAP1, IQGAP2, IQGAP3) formed in vertebrates.

Keywords： Eukaryota；IQGAP family; Phylogenetic analysis

PhylogeneticAnalysisofIQGAPProteinsinEukaryoticLineages

REZIYA Wumaier1，2, CAO Lihuan1，2, YU Long1，2

(1.StateKeyLaboratoryofGeneticEngineering,InstituteofGenetics,Shanghai200438,China; >2.SchoolofLifeSciences,FudanUniversity,Shanghai200438,China)

Q51

A

0427-7104(2017)03-0374-09

2016-09-09

國(guó)家自然科學(xué)基金(31071186)

熱孜亞·吾買爾(1990—)，女，碩士研究生；余 龍，男，教授，通信聯(lián)系人，E-mail： longyu@fudan.edu.cn；曹立環(huán)，男，副教授，通信聯(lián)系人，E-mail： lihuancao@fudan.edu.cn.