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1 537 ~544 硒与健康 Selenium and Human Health 2017 年 第 7 卷 第 5 期 Current Biotechnology ISSN 2095 2341 生物技术进展 硒代谢网络与硒蛋白质组的生物信息学研究进展 张茂娜ꎬ 姜 亮 ꎬ 张 焱 深圳大学生命与海洋科学学院ꎬ 广东 深圳 518060 摘 要: 硒是大多数生物所必需的微量元素ꎬ对维持氧化还原稳态平衡具有重要作用ꎬ并与许多重大疾病有着密切联 系ꎮ 一直以来ꎬ关于硒的研究工作主要集中于硒代谢机制和硒蛋白功能ꎮ 近年来快速增长的各类组学数据为硒相关的 生物信息学研究工作提供了重要条件与机遇ꎮ 主要介绍了当前利用生物信息学的理论和方法研究硒的代谢通路 功能 和进化等领域的最新进展ꎮ 通过这些研究ꎬ一方面发现了大量新的硒蛋白基因ꎬ并确定了众多物种的硒蛋白质组ꎻ另一 方面揭示了新的硒代谢通路及相关新基因ꎬ完善了硒代谢网络ꎮ 在此基础上ꎬ通过比较基因组学分析ꎬ深入探讨了硒代 谢通路 不同硒蛋白家族乃至硒蛋白质组的分布与进化规律ꎬ以期为进一步认识硒研究领域中的重要问题和未来的发展 方向提供支持ꎮ 关键词: 硒蛋白ꎻ硒蛋白质组ꎻ硒代谢ꎻ生物信息学ꎻ比较基因组学 DOI:10.19586 / j.2095 2341.2017.0097 Advance on Bioinformatic Analysis of Selenium Metabolic Network and Selenoproteomes ZHANG Maonaꎬ JIANG Liang ꎬ ZHANG Yan College of Life Sciences Oceanographyꎬ Shenzhen Universityꎬ Guangdong Shenzhen 518060ꎬ China Abstract:Selenium ( Se) is an essential trace element for most organisms and it plays an important role in redox homeostasis and is associated with several major diseases. Previouslyꎬ much efforts have been devoted to experimental investigation of Se metabolism and functions of different selenoproteins. Howeverꎬ with the rapid increase of omics data in recent yearsꎬ bioinformatic studies have become more and more important in the research of Se. This review introduced recent advances in investigating the metabolismꎬ functions and evolution of Se by bioinformatic theories and methods. These studies identified a large number of new selenoprotein genes as well as the selenoproteomes in a variety of organisms. On the other handꎬ new Se metabolic pathways and several new genes involved in Se metabolism and homeostasis were also identifiedꎬ which greatly improved our understanding of Se metabolic network. Furthermoreꎬ comparative genomic studies were carried outꎬ which revealed the general distributions of Se metabolic pathwaysꎬ selenoprotein families and selenoproteomes as well as their evolutionary patterns. It was expected to provide a foundation for investigating the fundamental questions and future directions of Se research. Key words:selenoproteinꎻ selenoproteomeꎻ selenium metabolismꎻ bioinformaticsꎻ comparative genomics 众多研究指出ꎬ硒是许多生物必需的微量营 参与了生物体的生长 发育等基本生命过程ꎬ在抗 养元素ꎮ 硒元素在体内发挥抗氧化作用ꎬ且和许 炎 抗病毒和抗衰老等方面都起着重要作用ꎮ 硒 多重大疾病都有着密切的联系ꎬ如肿瘤 糖尿病 心血管疾病和神经退行性疾病等 [1] ꎮ 此外ꎬ硒还 主要以 硒 代 半 胱 氨 酸 ( selenocysteineꎬ Secꎬ 第 21 种氨基酸) 的形式存在于体内ꎬ并进一步插入到 收稿日期:2017 07 31ꎻ 接受日期:2017 08 15 基金项目:国家自然科学基金项目(31771407ꎻ31401129) ꎻ广东省自然科学基金项目( 2015A030313555) ꎻ广东省教育厅科技创新项目 (2014KTSCX109) 资助ꎮ 作者简介:张茂娜ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事硒蛋白的生物信息学研究ꎮ E mail: 294516606 qq.comꎮ 通信作者:姜 亮ꎬ副研究员ꎬ主 要从事硒蛋白的生物信息学研究ꎮ E mail: jiangliang szu.edu.cnꎻ张 焱ꎬ教授ꎬ主要从事微量元素的生物信息学和系统生 物学研究ꎮ E mail: zhangyan szu.edu.cn

2 538 生物技术进展 Current Biotechnology 硒蛋白( selenoprotein) 中而发挥生物学作用 [2ꎬ3] ꎮ 在原核生物中ꎬ硒还能特异性地合成硒尿苷( sele nouridineꎬseu) 和某种含钼酶中的硒辅因子 ( Se cofactor) [4] ꎮ 此外ꎬ硒还参与合成硒代甲硫氨酸 硒糖等小分子含硒复合物ꎮ 近年来ꎬ随着高通量测序技术的蓬勃发展ꎬ各 种基因组数据不断增加ꎬ因此需要开发新的数据 分析方法ꎬ发现其中隐含的重要信息ꎬ于是ꎬ生物 信息学作为一门新兴交叉学科得到了长足发展ꎮ 通过各种计算分析ꎬ揭示基因的功能ꎬ完善代谢调 控网络ꎬ为研究生物体的各种生命过程提供了重 要启示与新的机遇ꎮ 本文将主要介绍生物信息学和比较基因组学 在硒研究领域中的主要应用ꎬ深入阐述硒在不同 物种( 包括细菌 古菌和真核生物) 中的利用 代 谢 功能和进化等方面的最新研究进展ꎬ尤其是我 国科研人员在这方面取得的重要成果ꎬ以期为硒 代谢与硒蛋白的研究提供参考ꎮ 1 图1 硒代半胱氨酸的合成机制 关于 Sec 的合成与插入硒蛋白的分子机制已 Fig.1 硒代半胱氨酸的合成过程 Procedure of selenocysteine biosynthesis. A:细菌ꎻB:真核生物ꎮ 基本被阐明ꎬ关键步骤是将终止密码子 UGA 重编 组中的硒蛋白基因 [7 ~ 9] ꎮ 除此之外ꎬ鉴于大多数 包括了编码 Sec 的 UGA( Sec UGA) 一个顺式作 同源蛋白ꎬ不依赖于 SECIS 的硒蛋白预测算法亦 码成 Sec 的密码子 [4ꎬ5] ꎮ 在细菌中ꎬ这个过程主要 用元件( 被称为 Sec 插入序列元件或 SECIS 元件) 硒蛋白都能找到含有半胱氨酸( cysteineꎬcys) 的 被开发ꎬ可用来识别环境基因组数据库中的硒蛋 和 一 些 相 关 酶 [4 ~ 6] ꎮ SECIS 元 件 位 于 硒 蛋 白 白基因 [10 ~ 12] ꎮ 通过这些方法ꎬ发现了许多新的硒 的 RNA 茎环状结构ꎮ 细菌中 Sec 的生物合成与 中各含有 25 个和 24 个硒蛋白 [13] ꎮ 另外ꎬ一些硒 特异 性 延 伸 因 子 SelB 结 合ꎬ 并 和 Sec 特 异 性 善了原核生物和真核生物的硒代谢调控网络ꎮ 酸 trna 合成酶( SerS) 的作用下结合丝氨酸ꎬ接 2 合 成 酶 SelD 的 产 物 ) 作 为 硒 供 体 合 成 Sec 2.1 SECIS 元件存在于硒蛋白 mrna 的 3 非翻译区 对于 Sec 插入蛋白质的过程必不可少且具有高度 PSTK 和 SECIS 结 合 蛋 白 SBP2ꎬ 其 基 本 过 程 如 本应是一个较为合理的策略ꎬ但与真核生物不同ꎬ mrna 中紧邻 Sec UGA 的下游区域ꎬ是一种特殊 插入过程如图 1A 所示ꎮ 其中 SECIS 元件与 Sec trna [ Ser] Sec 形 成 复 合 物ꎮ trna [ Ser] Sec 首 先 在 丝 氨 着在 Sec 合成酶( SelA) 作用下ꎬ以硒磷酸( 硒磷酸 trna [ Ser] Sec ꎮ 而真核生物 古菌则与细菌不同ꎬ其 (3 UTR) 内ꎬ而且需要额外的步骤和酶ꎬ如激酶 图 1B所示 [4 ] ꎮ 在硒的代谢与功能研究方面ꎬ基于 SECIS 元 件的重要特征与 Sec 合成机制ꎬ一些生物信息学 算法被开发出来ꎬ可以有效地预测各种物种基因 蛋白并得到了实验验证ꎬ如现已知的在人和小鼠 代谢相关的新基因也陆续被发现ꎬ从而进一步完 硒蛋白基因识别的生物信息学研究 细菌硒蛋白基因的预测和硒蛋白质组研究 如前所述ꎬ在所有硒蛋白基因中ꎬSECIS 元件 特异性ꎮ 基于 SECIS 元件来预测细菌硒蛋白基因 细菌 SECIS 元件缺乏非常保守的一级序列和二级 结构特征ꎬ因此长期以来ꎬ在预测细菌硒蛋白基因 方面缺乏有效的工具ꎮ Zhang 等 [7] 通过分析已知 细菌硒蛋白基因中各种 SECIS 元件的组成和结构

3 张茂娜 ꎬ 等 : 硒代谢网络与硒蛋白质组的生物信息学研究进展 539 特征 ꎬ 首次提出了一个细菌 SECIS 元件的结构模 型 ꎮ 在该模型中 ꎬSECIS 的一级序列并不非常保 守 ꎬ 仅发现在 SECIS 元件顶环的前两个核苷酸中 总是存在一个鸟苷酸 ( G)ꎬ 其后面常跟着一个尿 苷酸 ( U)ꎮ 此外 ꎬSec UGA 密码子与 SECIS 元件 顶环之间的距离在 16 ~ 37 个核苷酸之间 ꎮ 根据 [7] 这个模型 ꎬZhang 等开发了第一个可用于预测 细菌基因组中硒蛋白基因的 bsecisearch 算法 ꎮ 该算法流程如图 2 所示 ꎬ 主要原理是通过检查细 菌基因组中所有 UGA 密码子下游是否含有一个 类似 SECIS 元件的结构来预测硒蛋白基因 ꎮ 该算 法还运用了一些其他标准 ꎬ 包括开放阅读框约束 基于片段化的 SECIS 模型打分以及 UGA 密码子 两侧的蛋白序列保守性等 ꎮ 候选硒蛋白基因将进 一步分析其 UGA 密码子的位置 是否具有含 Sec 或 Cys 的同源序列 ꎬ 以及包含 Sec 的直系同源基 因中是否也存在 SECIS 元件等 ꎮ 最后将对确定的 硒蛋白基因进行更深入的验证 ꎮ Fig.2 图 2 bsecisearch 算法流程图 A schematic diagram of the bsecisearch algorithm. 除了上述依赖于 SECIS 的预测方法外 ꎬZhang [10~ 12] 等发现几乎所有的硒蛋白都存在含 Cys 的 同源序列 ( 即 Sec 的位置被 Cys 替换 )ꎬ 于是又开 发出不依赖于 SECIS 的硒蛋白基因预测方法 ꎬ 主 要用于搜索各种环境基因组中的硒蛋白基因 ꎮ 该 方法主要利用大型蛋白质数据库 ( 如 NCBI 的非 冗余蛋白序列数据库 ) 中含 Cys 的蛋白来搜索基 因组数据库中潜在编码硒蛋白的核酸序列 ꎮ 该方 法的关键步骤在于寻找可能包含 Sec UGA 密码 子的核酸片段 ꎮ 这些序列经翻译后成为含 Cys 蛋 白的同源序列 ꎬ 保守的 Cys 残基能与 UGA 密码子 的翻译产物相匹配 ꎬ 且该配对的两侧都比较保守 ꎮ 利用上述两种方法 ꎬ 在不同细菌基因组和环 境基因组中发现了许多新的硒蛋白基因 ꎮ 这些新 发现的硒蛋白及其相关信息已经成功整合入目前 最大的微量元素相关蛋白数据库 dbteu [14] 和国 际著名的重编码数据库 RECODE [15] ꎮ 这些生物 信息学工具和相关的研究成果为后续开展各种细 菌硒蛋白质组的比较基因组学研究提供了重要工 具和丰富资源 ꎮ [16] Zhang 等的一个早期工作对近 350 个完全 测序的细菌基因组进行了分析 ꎬ 确定了所有利用 Sec 的物种及其硒蛋白质组的组成 ꎮ 该研究发现 只有不到四分之一的细菌可以使用 Secꎬ 分别含 有 1 ~ 31 个硒蛋白基因 ꎮ 富含硒蛋白的生物 ( 含 有 6 个或更多的硒蛋白基因 ) 主要是 δ 变形菌纲 (Deltaproteobacteria) 和厚壁菌门 / 梭状芽孢杆菌 属 ( Firmicutes / Clostridia)ꎮ 甲酸脱氢酶 α 亚基 (formate dehydrogenase α subunitꎬ FdhA) 和 SelD 是细菌中分布最广泛的硒蛋白家族 ꎮ 大多数硒蛋 白似乎都是从含有 Cys 的祖先蛋白进化而来 ꎮ 然 而 ꎬ 在富含硒蛋白物种的许多近缘物种中都发生 了特定硒蛋白基因丢失的现象 ꎮ 这些结果表明 ꎬ Sec 的获得和硒蛋白基因丢失之间存在高度动态 且微妙的进化平衡 ꎬ 这可部分解释 Sec 的催化优 势与其在自然界中仅被有限使用之间的矛盾 ꎮ 此 外 ꎬ 一些环境因素 ( 如氧浓度或温度 ) 可能会影响 Sec 利用和硒蛋白质组的进化 [16] ꎮ 另一个比较基因组学研究针对原核生物和真 核生物中 Sec 的利用情况开展了分析 [17] ꎮ 该研 究详细分析了近 600 种细菌和古菌的基因组 ꎬ 发 现已测序细菌的硒蛋白质组包含 1 ~ 39 个硒蛋 白 ꎮ 但是 ꎬ 迄今为止最大的原核生物硒蛋白质组 [11] 在一个环境基因组研究中被报道 ꎮ Zhang 等 研究发现 ꎬ 某种海洋寡毛纲小蠕虫 Olavius algar vensis 的寄生菌 ( 属于 δ 变形菌纲 ) 含有 60 个以上 的硒蛋白基因 ꎮ [18] 最近 ꎬPeng 等分析了 多个细菌的基

4 540 生物技术进展 Current Biotechnology 因组数据ꎮ 该研究为所有已知的硒代谢途径( 包 括 Sec 生物合成和其他硒利用途径) 绘制了迄今 为止最大的物种分布图谱ꎬ展示了细菌中最为详 细的硒生物利用的相关信息ꎮ 和以往的研究结果 一致ꎬ绝大多数 ( 约 80 ) 测 序 物 种 失 去 了 编 码 Sec 的能力ꎮ 通过对物种硒蛋白质组进行深入分 析ꎬ发 现 了 一 个 新 的 硒 蛋 白 利 用 非 常 活 跃 的 门 属 互养菌门 ( Synergistetes) 以及一些富含硒蛋 白的其他物种ꎮ 通过对环境因素与 Sec 利用之间 关系的扩展研究ꎬ发现了细菌 Sec 生物利用的新 宏观进化特征ꎮ 在今后的研究工作中ꎬ寻找可以 影响不同硒蛋白家族进化的其他因素将显得非常 重要ꎮ 2.2 真核生物硒蛋白基因的预测和硒蛋白质组 研究 伴随着生物信息学的快速发展ꎬ真核生物硒 蛋白识别工作取得了很大进展ꎬ如一些脊椎动物 和哺乳动物( 包括人和小鼠) 昆虫 线虫和部分 藻类等的硒蛋白被陆续报道ꎮ 但是当前硒蛋白在 动物界中的认识还比较片面ꎬ仅局限于某些特定 的物种进化分支中ꎮ 此外ꎬ虽然已有的真核生物 硒蛋白基因预测算法( 如 SECISearch [8] ) 被较为 广泛地使用ꎬ但是其本身固有的缺陷( 如需预先 建立物种特异性训练集来构建 SECIS 模型以及针 图3 Fig.3 真核生物硒蛋白预测流程图 A schematic diagram of eukaryotic selenoprotein prediction. 为了进一步认识动物界ꎬ尤其是无脊椎动物 中硒 蛋 白 的 分 布 与 进 化ꎬ Jiang 等 [9ꎬ19] 利 用 该 算 法ꎬ选择了 6 种代表性无脊椎动物 海绵 丝盘 虫 海葵 青螺 柱头虫 文昌鱼和玻璃海鞘ꎬ结合 对某些真核生物预测的假阳性较多等) 亦限制了 目前已知的脊椎动物基因组数据ꎬ确定了这些物 这些方法的使用ꎮ 种中的硒蛋白基因ꎬ并深入探讨了多细胞动物从 为了解决算法普适性的难题ꎬ并提高预测准 确性ꎬJiang 等 [9ꎬ19] 开发了一个新的硒蛋白基因识 诞生 不断进化到出现人类的整个演变过程中硒 蛋白家族与硒蛋白质组的变化ꎮ 其中在玻璃海鞘 别算法ꎮ 该算法侧重于寻找基因组中所有可能编 中ꎬ首次发现了真核生物的 DsbA 硒蛋白ꎬ特殊的 读框ꎮ 由于真核生物硒蛋白基因结构的特殊性ꎬ 蛋白 [9] ꎮ DsbA 以前被认为只存在于细菌中ꎬ而该 码 Sec 的 UGA 密码子和包含 Sec UGA 的开放阅 必须设计特殊的基因组装算法ꎬ为此 Jiang 等 [19] 含双 SECIS 结构和双 Sec 结构的 SELENOW 等硒 研究说明该硒蛋白也可存在于一些海洋无脊椎动 开发了新的适合于硒蛋白基因识别的组装算法 物中ꎮ 此外ꎬ多细胞动物具有丰富的硒蛋白种类ꎬ 基因组中获得所有可能的外显子ꎬ其中包括含有 生大规模丢失ꎮ 只是在某些特定的进化分支( 如 密码子的外显子( 称为 c exon) ꎬ接着利用硒蛋白 发生了大面积丢失ꎮ 此外ꎬ还发现目前硒蛋白数 因 i geneꎮ 之后进一步分析基因下游的 SECIS 结 找到了一 种 特 殊 的 硒 储 存 和 转 运 蛋 白 3NSelPꎮ 的保守性ꎬ最后对硒蛋白识别结果进行进一步分 化有着重要的意义ꎬ也为探索生物有效储存和转 SelGenAmicꎮ 该算法的基本流程如图 3ꎮ 首先从 并且在主要的进化分支中ꎬ硒蛋白基因并没有发 UGA 密码子的外显子( 称为 i exon) 和不含 UGA 昆虫和线虫) 中ꎬ由于未知原因导致硒蛋白基因 基因组装算法ꎬ进一步得到包含 i exon 的特殊基 量和种类最丰富的动物是文昌鱼ꎬ并在文昌鱼中 构信息和 UGA 翻译后的 Sec 残基两侧局部序列 该硒蛋白的发现ꎬ对揭示硒蛋白 SELENOP 的进 析ꎬ确定物种的硒蛋白集合ꎮ 运硒的机制提供了重要信息ꎮ Jiang 等 [20] 还对代表性扁形动物( 涡虫 血吸

5 张茂娜 ꎬ 等 : 硒代谢网络与硒蛋白质组的生物信息学研究进展 541 虫和猪肉绦虫 ) 的硒蛋白质组进行了分析 ꎬ 研究 寄生与自生生活方式对硒蛋白质组的影响 ꎮ 这些 扁形动物进化关系较为接近 ꎬ 但生活方式上却存 在巨大差异 ꎮ 涡虫是一种在淡水中自由生存的物 种 ꎬ 而血吸虫和猪肉绦虫都是对人类和家畜具有 较大危害的寄生物种 ꎮ 3 个物种的生活方式存在 着明显的梯度差异 ꎬ 即从涡虫到血吸虫再到猪肉 绦虫 ꎬ 寄生程度越来越高 ꎮ 结果显示 ꎬ3 个物种的 硒蛋白质组随着寄生程度的升高而逐渐减小 ꎮ 涡 虫中硒蛋白数量最多 ꎬ 而寄生程度最高的猪肉绦 虫中硒蛋白数量最少 ꎮ 由此推断 ꎬ 寄生的生活方 式可能会显著降低动物对硒的依赖性 ꎮ [21] 此外 ꎬGobler 等在分析有害藻类抑食金球 藻 (Aureococcus anophagefferens) 的基因组时 ꎬ 发现 该藻含有目前已知最大的真核生物硒蛋白质组 [22] ( 至少 60 个硒蛋白基因 )ꎮ Lobanov 等研究发 现 ꎬ 脊椎动物 绿藻及一些单细胞生物和纤毛虫等 真核生物都富含硒蛋白 ꎮ 在真核生物中 ꎬ 硒蛋白 K 分布最为广泛 ꎬ 但功能尚不清楚 ꎮ 一些其他硒 蛋白分布也比较广 ꎬ 如硒蛋白 W 硫氧还蛋白还 原酶 (TXNRD) 和谷胱甘肽过氧化物酶 (GPX) 等 ꎮ 与细菌比较 ꎬ 可能是由于真核生物的硒蛋白合成 过程更为复杂 ꎬ 因此真核生物硒蛋白家族中较少 出现 Sec 和 Cys 之间的转换 [4ꎬ 22] ꎮ 3 硒代谢调控网络的生物信息学研究 硒主要以 Sec 的形式出现在蛋白质中发挥功 能 ꎮ 此外 ꎬ 在某些细菌中发现 ꎬ 硒还可特异性地合 成 SeU( 存在于某些 trna 的摆动位点 ) 以及硒辅 因子 ( 存在于某些含钼酶中 )ꎮ 每一条硒代谢通 路都拥有特异的基因群 [4] ꎮ SelD 是参与这些不 同硒代谢过程的共有酶也是关键酶 ꎬ 理论上存在 于所有可利用硒的物种中 ꎮ SelD 属于一个 ATP 结合蛋白超家族 ꎬ 其主要功能是催化 ATP 与硒化 物生成硒磷酸 ꎬ 而硒磷酸是合成 Sec SeU 和 Se cofactor 等重要有机硒化合物所必需的硒供体 ꎮ 因此 ꎬ 通过分析 SelD 的分布 ꎬ 有助于发现新的利 用硒的物种和硒代谢途径 ꎮ 在硒辅因子通路被发现以前 ꎬSec 和 SeU 是 [23] 仅有的 2 种硒代谢途径 ꎮ Zhang 等利用比较基 因组学和系统发生分析研究了已知硒代谢相关基 因在测序细菌中的分布情况 ꎬ 首次发现了一些物 种含有 SelD 但不含 Sec 或 SeU 的代谢通路 ꎬ 提示 这些物种中可能存在依赖于 SelD 的其他硒利用 途径 ꎮ 通过进一步分析 SelD 基因在这些物种基 因组中的位置和上下游基因结构 ꎬ 发现了 2 种新 的与 SelD 关系非常密切的基因 ( YqeB 和 YqeC)ꎬ 并且发现这 3 种基因 (SelD YqeB 和 YqeC) 和一种 含钼的氧化还原酶联系紧密 ꎮ 进一步实验表明 ꎬ 这些物种中含有某种不稳定的硒化物 ꎬ 在还原剂 [23] 处理下可发生分离 ꎮ Zhang 等推测第 3 种硒代 谢通路是某种不太稳定的硒辅因子 ꎬ 可被某含钼 酶利用 ꎬ 该通路的标志性基因是 YqeB 和 YqeCꎮ [18] 在最近的研究工作中 ꎬPeng 等发现可能存在 第 4 条依赖于 SelD 的硒代谢通路 ꎮ [24] 另外 ꎬLi 等首次在古菌中发现了某种 SelD 远缘同源基因 ( 称为 SelD like) 的存在 ꎮ 这些 SelD like 基因主要存在于泉古菌门中的两个主要 目 ( 硫化叶菌目和热变形菌目 ) 中 ꎮ SelD like 蛋 白含有与 SelD 相同的功能结构域 ꎬ 因此可能具有 相似的催化反应机制 ꎮ SelD like 基因在物种中的 分布较为局限 ( 仅存在于部分不能利用硒的古菌 中 )ꎬ 说明该基因很可能是从某古菌的 SelD 基因 新进化而来 ꎬ 并衍生出与硒无关的新功能 ꎮ 通过 对 SelD like 基因在古菌基因组中的位置与上下游 结构分析 ꎬ 发现了它和一些硫代谢基因高度相关 ꎬ 包括过氧化物氧化还原酶 硫氰酸酶相关硫转移 酶 异化亚硫酸还原酶以及 Fe S 氧化还原酶等 ꎬ 提示 SelD like 蛋白很可能参与这些嗜热古菌的 硫代谢 ꎬ 并提出了 SelD like 参与硫代谢的两个新 模型 ꎬ 从而揭示了硒和硫代谢过程之间的重要 关系 ꎮ 在过去的 20 年中 ꎬ 虽然参与细菌硒代谢的一 些关键基因被陆续报道 ꎬ 但是关于整个硒代谢与 调控网络尚有诸多不清楚的地方 ꎮ 最近 ꎬ Lin [25] 等通过比较基因组学和系统发生分析方法 ꎬ 结 合所有已知硒代谢通路和相关基因的信息 ꎬ 以期 寻找参与硒代谢的新关键基因 ꎮ 通过深入分析各 种已知基因的基因组上下游结构 ꎬ 发现了若干可 能参与硒代谢调控网络的新基因 ꎬ 包括 1YedE:1 个与硫转运蛋白具有远缘同源性的膜蛋白 ꎬ 仅在 可利用硒的物种中发现 ꎬ 其功能很可能参与硒的 跨膜运输 ꎻ2YedF: 含有氧化还原相关的结构域 ꎬ 可能与硒的解毒过程相关 ꎻ31 个属于 LysR 超家 族的硒特异性转录因子 LysR_Seꎬ 可能参与 Sec 生

6 542 生物技术进展 Current Biotechnology 物合成以及其他硒相关基因的表达调控 ꎻ41 个 很小的蛋白家族 DUF3343ꎬ 广泛分布于硒利用物 种中 ꎬ 很可能作为一个重要的细胞内硒转运伴侣 ꎮ [25] 最后 ꎬLin 等提出了一个硒代谢与稳态调控模 型 ꎬ 该成果为进一步完善硒代谢与调控的复杂网 络提供了重要信息 ꎮ [26] 最近 ꎬLi 等利用果蝇 SEPHS2( SelD 在真 核生物中的同源基因 ) 的基因敲减模型 ꎬ 通过对 幼虫与成虫期转录组测序 ꎬ 深入分析了该基因可 能影响的代谢通路和相关基因 ꎮ 该研究发现 ꎬ SEPHS2 可以影响许多基因的表达 ꎬ 这些基因多 与糖代谢和细胞氧化还原进程密切相关 ꎮ 进一步 通过聚类和网络分析 ꎬ 找到与 SEPHS2 具有强功 能关联的新关键基因 ( 包括 Nimrod C1 和钙调素 等 )ꎬ 为进一步研究 SEPHS2 的复杂功能和硒代谢 与其他代谢通路之间的关系提供了新线索 ꎮ 4 硒生物利用的进化规律研究 收集各种物种基因组和环境基因组数据 ( 包 括基因组和其他相关信息 ꎬ 如生存环境等 )ꎬ 并进 一步确定硒代谢通路 不同硒蛋白家族和硒蛋白 质组的分布情况 ꎬ 可为深入认识硒生物利用的复 杂进化规律及其与环境因素的关系提供重要信 息 ꎮ 近年来已陆续开展了若干硒代谢与功能相关 的进化研究 ꎬ 并从中发现了一些重要的进化特征 ꎮ [12] Zhang 等分析了最大的海洋环境基因组 计划 (Global Ocean Samplingꎬ GOS) 项目 ꎮ 通过分 析每一个 GOS 样本 ( 主要是海水样本 ) 的宏基因 组数据 ꎬ 共找到了约 个硒蛋白基因 ꎬ 这些基 因来自于 58 个硒蛋白家族 ꎬ 并且绝大多数为氧化 还原酶 ꎮ 除此之外 ꎬ 还发现了若干新的硒蛋白家 族 ꎮ 在已研究过的 GOS 样本中 ꎬSelW 和 SelD 是 分布最广泛的硒蛋白 ꎮ 样本所处的不同地理位置 对于硒蛋白生物利用的影响很小 ꎮ 然而 ꎬ 温度升 高和海水环境 ( 与淡水和高盐度水样相比 ) 可以 促进 Sec 的利用 ꎬ 并且增加了硒蛋白的种类和数 量 ꎮ 在海洋环境中 ꎬ 亦发现了一些新的硒蛋白融 合基因 ꎬ 往往都具有氧化还原活性 ꎮ 此外 ꎬ 海洋微 生物群体中 SeU 和 Sec 的生物利用具有不同的进 化规律 ꎮ 这些结果首次揭示了不同海洋环境对于 硒代谢途径和硒蛋白质组的复杂影响 ꎮ [18] 在最近 Peng 等开展的细菌比较基因组学 研究中 ꎬ 发现了细菌的栖息环境可以影响不同硒的代谢通路 ꎮ Sec 和硒辅因子通路多见于宿主相关的生存环境 ꎬ 而 SeU 通路多见于水生生物 ꎮ 氧气和 Sec 代谢通路的关系并不显著 ꎬ 但低氧环境却可促进硒蛋白的产生 ꎬ 因为大部分富含硒蛋白的物种都是厌氧菌 ꎮ 硒辅因子通路非常偏爱厌氧环境 ꎻ 反之 ꎬSeU 通路则多见于需氧型物种 ꎮ 这些成果为揭示不同生态环境中微生物对硒利用过程的进化趋势提供了重要依据 ꎮ 另一个比较基因组学研究确定了 44 种已测序脊椎动物的硒蛋白质组 ꎬ 共发现了 45 个硒蛋白家族 ꎬ 其中在哺乳动物中发现 28 个 ꎬ 在硬骨鱼中发现 41 个 [27] ꎮ 该研究定义了脊椎动物祖先 (28 个硒蛋白 ) 和哺乳动物 (25 个硒蛋白 ) 的硒蛋白质组 ꎬ 并仔细描述了它们是如何通过基因重复 (20 个事件 ) 基因丢失(10 个事件 ) 和 Sec 被 Cys 替代 (12 个事件 ) 等进化事件而逐渐演变的 ꎮ 此外 ꎬ 还发现了无内含子的 SEPHS2 基因在早期哺乳动物中产生 ꎬ 并在功能上取代了胎盘类哺乳动物中原始的多外显子基因 ꎬ 然而这 2 个基因仍然保留在有袋类动物中 ꎮ 哺乳动物的 TXNRD1 和 TXNRD3 由一个含有谷氧还蛋白结构域的祖先酶进化而来 ꎮ SELENOV 和 GPX6 分别从胎盘类哺乳动物的 SELENOW 和 GPX3 的基因复制演变而来 ꎬGPX6 则发生了数次独立地丢失 Sec 的现象 ꎮ 在硬骨鱼类中 ꎬ 还特征性地发生了一些硒蛋白家族 (GPX1 GPX3 GPX4 DIO3 MSRB1 SELENOJ SELENOO SELENOT SELlU1 和 SELENOW2) 的复制 ꎮ 该研究同时确定了若干硒蛋白的新异构体 ꎬ 并报道了异常保守的硒蛋白假基因 ꎮ 该研究是首次对脊椎动物和哺乳动物硒蛋白质组展开较为完整的探索 ꎬ 并着重描述了它们的复杂进化过程 ꎬ 为深入认识这些硒蛋白及其具体形式提供了大量有价值的信息 ꎮ 5 展望硒是许多生物所必需的微量元素 ꎬ 其复杂的代谢调控机制与功能一直受到广泛的关注 ꎮ 本文主要讨论了如何利用生物信息学的理论和方法来深入研究硒的生物利用过程及其进化规律 ꎬ 相关的研究成果可以帮助研究人员进一步认识硒在不同生物中利用与代谢过程的共性和个性 ꎬ 深入理

7 张茂娜 ꎬ 等 : 硒代谢网络与硒蛋白质组的生物信息学研究进展 543 解硒蛋白的主要功能和物种硒蛋白质组的组成与进化特征 ꎮ 但应承认 ꎬ 这些研究工作仅仅是个开端 ꎮ 硒在不同生物体中的代谢机制和功能要比此前所认识的更为复杂多样 ꎬ 还有许多未知的问题有待于进一步研究 ꎮ 未来 ꎬ 随着以高通量测序为代表的各种先进技术的普遍应用 各类组学数据 ( 基因组 转录组 蛋白质组 离子组等 ) 急剧增加 ꎬ 将更有利于研究人员运用生物信息学和系统生物学的方法对硒相关的各种生物学问题进行深入研究 ꎬ 为该领域乃至整个微量元素研究领域开拓新的视野并提供重要的研究手段 ꎮ 参考文献 [1] Rayman M P. The importance of selenium to human health[j]. Lancetꎬ 2000ꎬ 356(9225): [2] Low S Cꎬ Berry M J. Knowing when not to stop: Selenocysteine incorporation in eukaryotes[ J]. Trends Biochem. Sci.ꎬ 1996ꎬ 21(6): [3] Stadtman T C. Selenocysteine [ J ]. Ann. Rev. Biochem.ꎬ 1996ꎬ 65(1): [4] Zhang Yꎬ Gladyshev V N. Comparative genomics of trace ele ments: Emerging dynamic view of trace element utilization and function[ J]. Chem. Rev.ꎬ 2009ꎬ 109(10): [5] Böck Aꎬ Forchhammer Kꎬ Heider Jꎬ et al.. Selenocysteine: The 21st amino acid[ J]. Mol. Microbiol.ꎬ 1991ꎬ 5(3): [6] Hatfield D Lꎬ Gladyshev V N. How selenium has altered our understanding of the genetic code[ J]. Mol. Cell. Biol.ꎬ 2002ꎬ 22(11): [7] Zhang Yꎬ Gladyshev V N. An algorithm for identification of bacterial selenocysteine insertion sequence elements and seleno protein genes[ J]. Bioinformaticsꎬ 2005ꎬ 21(11): [8] Kryukov G Vꎬ Kryukov V Mꎬ Gladyshev V N. New mammalian selenocysteine containing proteins identified with an algorithm that searches for selenocysteine insertion sequence elements [J]. J. Biol. Chem.ꎬ 1999ꎬ 274 (48): [9] Jiang Lꎬ Liu Qꎬ Ni J. In silico identification of the sea squirt selenoproteome[ J]. BMC Genomicsꎬ 2010ꎬ 11: 289. [10] Zhang Yꎬ Fomenko D Eꎬ Gladyshev V N. The microbial sele noproteome of the Sargasso Sea [ J]. Genome Biol.ꎬ 2005ꎬ 6 (4): R37. [11] Zhang Yꎬ Gladyshev V N. High content of proteins containing 21st and 22nd amino acidsꎬ selenocysteine and pyrrolysineꎬ in a symbiotic deltaproteobacterium of gutless worm Olavius algar vensis[ J]. Nucl. Acids Res.ꎬ 2007ꎬ 35(15): [12] Zhang Yꎬ Gladyshev V N. Trends in selenium utilization in ma rine microbial world revealed through the analysis of the global ocean sampling ( GOS) project [ J]. PLoS Genet.ꎬ 2008ꎬ 4 (6): e [13] Kryukov G Vꎬ Castellano Sꎬ Novoselov S Vꎬ et al.. Character ization of mammalian selenoproteomes[ J]. Scienceꎬ 2003ꎬ 300 (5624): [14] Zhang Yꎬ Gladyshev V N. dbteu: A protein database of trace element utilization [ J]. Bioinformaticsꎬ 2010ꎬ 26 ( 5): [15] Bekaert Mꎬ Firth A Eꎬ Zhang Yꎬ et al.. Recode 2: New de signꎬ new search toolsꎬ and many more genes[j]. Nucl. Acids Res.ꎬ 2010ꎬ 38(S1): D69-D74. [16] Zhang Yꎬ Romero Hꎬ Salinas Gꎬ et al.. Dynamic evolution of selenocysteine utilization in bacteria: A balance between sele noprotein loss and evolution of selenocysteine from redox active cysteine residues[ J]. Genome Biol.ꎬ 2006ꎬ 7(10): R94. [17] Zhang Yꎬ Gladyshev V N. General trends in trace element utili zation revealed by comparative genomic analyses of Coꎬ Cuꎬ Moꎬ Niꎬ and Se[ J]. J. Biol. Chem.ꎬ 2010ꎬ 285( 5): [18] Peng Tꎬ Lin Jꎬ Xu Y Zꎬ Zhang Y. Comparative genomics re veals new evolutionary and ecological patterns of selenium utili zation in bacteria[j]. ISME J.ꎬ 2016ꎬ 10(8): [19] Jiang Lꎬ Ni Jꎬ Liu Q. Evolution of selenoproteins in the metazo an[j]. BMC Genomicsꎬ 2012ꎬ 13: 446. [20] Jiang Lꎬ Zhu H Zꎬ Xu Y Zꎬ et al.. Comparative selenoproteome analysis reveals a reduced utilization of selenium in parasitic platyhelminthes [ J ]. Peer J.ꎬ 2013ꎬ 1: e202. [21] Gobler C Jꎬ Berry D Lꎬ Dyhrman S Tꎬ et al.. Niche of harmful alga Aureococcus anophagefferens revealed through ecogenomics [ J]. Proc. Natl. Acad. Sci. USAꎬ 2011ꎬ 108 ( 11): [22] Lobanov A Vꎬ Fomenko D Eꎬ Zhang Yꎬ et al.. Evolutionary dynamics of eukaryotic selenoproteomes: Large selenoproteomes may associate with aquatic life and small with terrestrial life [J]. Genome Biol.ꎬ 2007ꎬ 8(9): R198. [23] Zhang Yꎬ Turanov A Aꎬ Hatfield D Lꎬ et al.. In silico identifi cation of genes involved in selenium metabolism: Evidence for a third selenium utilization trait [ J]. BMC Genomicsꎬ 2008ꎬ 9: 251. [24] Li G Pꎬ Jiang Lꎬ Ni J Zꎬ et al.. Computational identification of a new SelD like family that may participate in sulfur metabolism in hyperthermophilic sulfur reducing archaea[ J]. BMC Genom icsꎬ 2014ꎬ 15: 908. [25] Lin Jꎬ Peng Tꎬ Jiang Lꎬ et al.. Comparative genomics reveals new candidate genes involved in selenium metabolism in pro karyotes[ J]. Genome Biol. Evol.ꎬ 2015ꎬ 7(3): [26] Li Gꎬ Liu Lꎬ Li Pꎬ et al.. Gene expression profiling of seleno phosphate synthetase 2 knockdown in Drosophila melanogaster [J]. Metallomicsꎬ 2016ꎬ 8(3): [27] Mariotti Mꎬ Ridge P Gꎬ Zhang Yꎬ et al.. Composition and evo lution of the vertebrate and mammalian selenoproteomes [ J]. PLoS ONEꎬ 2012ꎬ 7(3): e33066.

8 544 生物技术进展 Current Biotechnology 张焱教授团队介绍 张焱教授及其研究团队长期致力于硒代谢与功能的生物信息学研究ꎮ 通过开发新算法ꎬ 在原核和真核生物中发现了大量新的硒蛋白ꎬ找到了新的硒代谢通路和新关键基因ꎬ并揭示了 硒代谢网络与硒蛋白质组的重要进化规律ꎮ 该团队已发表高水平论文 70 余篇( 总影响因子> 370) ꎬ参与近 10 部中英文著作的撰写ꎬ主持多项国家自然科学基金 中国科学院和省部级 项目ꎮ

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