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1 第 24 卷第 8 期 2012 年 8 月 生命科学 Chinese Bulletin of Life Sciences Vol. 24, No. 8 Aug., 2012 文章编号 : (2012) 张 焱 主要研究方向包括 : 人体必需微量元素代谢调控机制的计算生物学研究 ; 人体复杂疾病代谢调控网络的系统生物学研究 通过计算生物学和生物信息学的理论和方法, 对人体必需微量元素, 如锌 铜 硒等的代谢与稳态调控机制开展了深入分析, 发现了一批参与不同元素代谢的新基因和相关生物网络 利用多种 组学 数据, 深入开展对糖尿病和肿瘤等复杂疾病的代谢与调控网络的系统生物学研究, 构建数学模型并研究网络特征, 寻找疾病发生与发展相关的新基因 新调控机制和重要功能模块, 用于早期诊断或治疗, 并进一步探讨细胞重要活动 ( 如细胞周期 磷酸化等 ) 与复杂疾病的潜在关系 微量元素蛋白质组的比较基因组学研究 刘克钦 1, 陈康明 2, 张焱 3 * (1 上海大学系统生物技术研究所, 上海 ;2 中国医学科学院基础医学研究所, 北京 ; 3 中国科学院上海生命科学研究院, 中国科学院系统生物学重点实验室, 上海 ) 摘要 : 微量元素指需要量很少 ( 人体中含量在 0.01% 以下 ), 但却是所有生物体所必需的元素 它们参与了生物体中各种复杂的生物过程, 因此不同生物必须依赖相应的微量元素才能生存 过去大量的工作主要放在微量元素代谢通路和微量元素结合蛋白的实验研究上, 由此凸显出微量元素对生命的重要性 然而, 微量元素的计算生物学研究工作却非常有限 着重介绍当前利用比较基因组学的理论和方法来研究不同微量元素的利用 代谢 功能和进化方面问题的最新进展 对于所讨论的元素, 大多数利用它们的蛋白已经基本确定, 并且这些蛋白对于特定元素的依赖性也是非常保守的 通过比较基因组学分析, 有助于帮助我们进一步认识微量元素领域很多基本问题 ( 如在古菌 细菌和真核生物中的代谢 功能和动态进化规律等 ) 及其重要特征 关键词 : 微量元素 ; 蛋白质组 ; 比较基因组学 ; 计算生物学 ; 生物信息学中图分类号 :Q581 文献标志码 :A Comparative genomics of trace element-dependent proteomes LIU Ke-Qin 1, CHEN Kang-Ming 2, ZHANG Yan 3 * (1 Institute of Systems Biology, Shanghai University, Shanghai , China; 2 Institute of Basic Medical Sciences, Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing , China; 3 Key Laboratory of Systems Biology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai , China) Abstract: Biological trace elements are needed in small quantities (e.g., less than 0.01% of human body weight), but are used by all living organisms. They are employed by organisms in key functions in a variety of biological processes, resulting in the dependence of organisms on various trace elements. Much effort has previously been placed on experimental studies of trace element utilization pathways and trace element-dependent proteins, which 收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( ) * 通信作者 : yanzhang01@sibs.ac.cn

2 第 8 期刘克钦, 等 : 微量元素蛋白质组的比较基因组学研究 949 highlight the importance of these elements for life; however, computational analyses of trace elements have been limited. In this review, we focus on current advances in comparative genomics of different trace elements, which explore evolution and function of their utilization. For these elements discussed here, most proteins that use these elements are well characterized and their dependence on a specific element is evolutionarily conserved. Thus, comparative genomics analyses provide a foundation for investigating the general features of fundamental properties such as utilization, functions, and evolutionary dynamics of trace elements in archaea, bacteria and eukaryotes. Key words: trace element; proteome; comparative genomics; computational biology; bioinformatics 生物体内通常包含多种微量元素, 以维持各种 复杂的生命活动 这些元素主要包括锌 铁 铜 钼 镍 钴 硒等 微量元素在体内含量很少 ( 人体中 含量在 0.01% 以下 ), 但是在生命过程中的作用绝 不可低估 它们广泛参与生物体内多种金属酶 辅 酶 激素和核酸等的合成与代谢, 其功能主要涉及 蛋白质的定位 折叠 电子转移等方面 [1] 不同的 生物体内存在不同的微量元素, 需要量也各不相同 如果微量元素摄入过量或不足, 或与之相关的信号 转导或代谢通路出现异常, 都会导致各种生理功能 ( 如生长 发育和基础代谢 ) 的紊乱, 诱发各种疾病, 严重的甚至导致死亡 [2] 生物体内的微量元素大多是金属元素 这些金 属离子可以以多种方式与其他生物分子产生相互作 用, 行使正常生理功能 其中铁和锌的含量较高, 几乎为所有的生物体共有 [3] 其他一些金属, 例如 铜 钼 镍 钴等虽然不是在所有生物体内都存在, 但在不同物种中, 其相关的金属蛋白也扮演了重要 角色 此外, 硒作为主要的非金属元素也参与了一 系列重要的代谢过程 [4] 微量元素必须处在生物体严格的内稳态 (homeostasis) 控制中, 包括摄取 储存和排出等过程 目 前针对一些金属离子的特异性转运系统已被相继发 现 [5] 细菌中最常用的输入系统基本都属于具有 ATP 结合区 (ATP-binding cassette, ABC) 的转运体 系, 如 ZnuABC( 锌 ) 和 ModABC( 钼 ) 非 ABC 转 运蛋白也在细菌和真核生物中存在 另一方面, 细 胞也需要各种针对过量微量元素的储存和排出机 制, 以保持胞内的稳定性, 如金属硫蛋白 ( 重金属 结合与解毒 ) ATP7A( 铜的运出蛋白 ) 和 ZnT( 锌 的运出蛋白 ) 等 微量元素的内稳态正是通过这些 机制的协同作用才能维持 微量元素的利用过程非常复杂 以金属为例, 绝大多数金属直接与相应的金属蛋白结合并参与各 种代谢过程 少数金属则需要先合成某种含该金属 的化合物, 然后才能与靶蛋白结合, 如钼嘌呤 ( 钼 ) 和维生素 B 12 ( 钴 ) 其次, 一些金属 ( 如铁和铜 ) 在氧化还原反应过程中具有重要作用, 同时它们以 及其他一些金属也参与许多的酶催化反应 第三, 对不同金属而言, 金属蛋白家族的数量也有很大差 别, 如锌蛋白家族超过 300 个, 而镍蛋白家族少于 10 个 硒元素则主要是以硒代半胱氨酸的形式被利 用 [6] 近年来, 随着基因组研究的迅速发展, 各种基 因组数据快速膨胀, 这就迫切需要用新的计算方法 和手段来挖掘其中蕴含的信息, 于是比较基因组学 应运而生 [7] 通过对不同物种间基因与基因组的比 较分析, 揭示基因的起源和功能, 并寻找新的相关 基因, 这为深入研究生物的各种生化代谢途径 ( 包 括微量元素 ) 提供了前所未有的机遇 越来越多的 蛋白被发现必须结合至少一种微量元素才能行使正 常的功能 因此, 在基因组水平上确认全部或绝大 多数的微量元素结合蛋白 ( 即微量元素蛋白质组 ) 对于深入认识这些元素的代谢与功能具有重大意 义 近年来针对若干微量元素的比较基因组学研究 已陆续开展, 这些研究工作大大增强了我们对于微 量元素的代谢 功能和进化趋势的认识 本文将具 体介绍几种主要微量元素的比较基因组学研究进 展 1 微量元素的比较基因组学研究方法 比较基因组学作为生物学研究的新领域, 是在 基因组图谱和序列分析的基础上, 对各种生物中的 已知基因及其结构和相关功能元件进行比较, 从而 了解基因的功能 表达机理和物种进化等方面的学 科 [7] 与祖先或模式生物的比较, 对于深刻认识生 物体中各种复杂的生化代谢过程具有重要的参考价 值 随着基因组计划的成功开展, 为越来越多的物 种提供了各种微量元素结合蛋白的信息, 包括序列 结构 功能和进化特征等 因此, 当前对一个物种 中微量元素参与的各种代谢途径和相关蛋白质组的 完整描述已成为一个日益迫切的任务 然而, 当前

3 950 生命科学 第 24 卷 对于微量元素结合蛋白的预测方法并不理想 除了硒蛋白的预测算法较为准确之外, 尚无可靠的算法来预测金属蛋白, 主要原因是不同金属结合位点特征的重复性和金属结合位点的不确定性 为了解决这些问题, 许多科学家研究了金属蛋白的序列和结构特征以及金属结合位点的保守性, 并总结了许多金属结合基序或模式, 用来帮助分析金属的利用并发现新的金属蛋白 此外, 通过分析一些微量元素代谢相关蛋白, 如金属转运蛋白或合成含金属辅因子的组分蛋白, 也能协助我们认识微量元素的利用过程 一般来说, 微量元素的比较基因组学研究方法主要包括下面三个步骤 ( 图 1) 1.1 确认微量元素依赖蛋白微量元素依赖蛋白 ( 如金属蛋白和硒蛋白 ) 是 研究微量元素利用的最重要指标, 因此, 第一步就 是要尽量收集已知的微量元素依赖蛋白 此前对蛋 白质结构数据库 (PDB) 的分析表明大约有四分之一 的蛋白中至少含有一个金属原子 [8] 基于各种已知 金属蛋白的序列和结构信息, 当前已经开发出一些 生物信息学工具和数据库对序列进行分析和预测 这些资源主要有 Pfam( 蛋白家族数据库 ) PROSITE ( 蛋白质结构域 家族和功能位点数据库 ) CDD ( 基于多序列比对和数据库搜索模型的集合 ) PRINTS( 蛋白质指纹图谱数据库 ) COG( 直系同源 集合组 ) MDB( 金属蛋白数据库 ) 和 dbteu( 微量 元素蛋白数据库 ) 等 [9-14] 对于预测金属蛋白, 一 些数据库或工具利用了已知金属蛋白中的保守序列 模式, 另外一些则利用位置特异性打分矩阵来描述 图 1 微量元素的比较基因组学研究方法的主要过程

4 第 8 期刘克钦, 等 : 微量元素蛋白质组的比较基因组学研究 951 序列的相似度 然而, 这些数据库并不包括所有的金属结合模式, 只能用于确认部分具有相同结合模式的金属蛋白 更为复杂的是, 一些金属蛋白可以使用相同的位点结合不同的金属离子, 而且其他一些因素 ( 如胞内蛋白折叠的位置 ) 也会影响蛋白对 不同金属的选择性 [15] 除了金属蛋白以外, 一些特异性金属转运蛋白 金属辅因子合成蛋白以及其他相关的调节因子 ( 如分子伴侣和阻遏蛋白 ) 等也可以为微量元素的使用提供相关的补充信息 1.2 在基因组中确定直系同源蛋白下一步就是在各种基因组序列中查找所选蛋白的同源蛋白 美国国立生物技术信息中心 ( 简称 NCBI) 有古菌 细菌和真核生物完全测序物种的信息 先把第一步收集得到的蛋白集合作为初始序列, 通过 BLAST [16] 在不同生物的基因组中查找其同源序列, 再进一步确定直系同源序列 对于直系同源蛋白的确定可使用多种方法, 如保守结构域 (COG/ Pfam/CDD) 搜索 双向最佳匹配法 基因关联 ( 如操纵子或邻居基因 ) 分析和系统发生分析等 不过有一些蛋白质, 要查找其直系同源蛋白或对于不同金属的偏好是比较困难的 例如, 镍和钴在古菌和 细菌中有共同的运输系统, 难以严格区分 [17] 对于钼嘌呤和维生素 B 12 生物合成通路的确定可以直接利用参与相应过程的蛋白酶 ; 硒代半胱氨酸的合成也能通过相应蛋白酶的存在与否来鉴别 因此, 某物种能否利用微量元素 X 的判断依据是 :(i) 至少存在一种特异性 X 转运蛋白 ;(ii) 存在包含 X 的辅因子合成通路 ;(iii) 至少存在一个依赖于 X 的蛋白 上述方法的一个缺点是只能选择严格依赖于某特定金属元素的蛋白, 这可能会造成对某些生物中金属利用情况分析的不完整 不过, 本文所讨论的几种金属, 其金属蛋白都是比较专一的 因此, 采用比较基因组方法可以较全面地揭示 它们在不同生物中的使用概况 1.3 微量元素利用的比较与功能分析通过比较基因组学对微量元素的利用做进一步分析, 可以帮助我们认识不同生物使用微量元素的普遍机制和进化过程中的动态演变 此外, 根据前两个步骤所获得的数据, 还可以开展对微量元素的利用和各种环境因素之间的关系 微量元素之间的相互关系 微量元素蛋白质组的组成特征等其他问题的深入探讨 在下面的内容中, 我们将探讨若干 微量元素的比较基因组学研究进展 2 铜 铜是大多数生物所必需的微量元素, 可以参与构成多种蛋白和酶, 如细胞色素 c 氧化酶 铜 / 锌超氧化物歧化酶 酪氨酸酶 多种铜蓝蛋白和多铜氧化酶 (MCO) 等, 主要参与电子传递 氧化 - 还原反应 运输和降解 歧化超氧化物等多项生化功能 [18] 另一方面, 游离态的铜在氧化态 (Cu1) 和还原态 (Cu2) 两种价态的转化过程中会产生自由基, 具有很强的毒性 因此生物在铜的使用过程中要保持平衡, 避免受到毒害 目前, 尚不能完全依靠计算方法来找出所有的铜蛋白, 主要是因为有一些蛋白在某些生物中结合铜, 但是在另一些生物中却与其他金属结合 此外, 蛋白质折叠 特定的残基或者其他金属元素的存在, 都可能通过亲和力和变构效应影响与铜的结合 [15,19-20] 2.1 铜转运系统原核生物中铜的转运与内稳态维持机制还不完全清楚 迄今为止, 在绝大多数细菌中还没有发现特异性铜输入蛋白 在大肠杆菌中, 特异性铜输出蛋白 CopA 是维持内稳态的主要成员 [21] 蓝细菌 (Cyanobacteria) 中还存在两种 CopA 的同源蛋白 : PacS 和 CtaA PacS 定位于类囊体膜上, 可能参与了与类囊体光合作用密切相关的铜稳态调控 [22], 而 CtaA 则可能参与该类细菌中铜离子的输入 [23] 在许多细菌中, 一种铜的伴侣蛋白 CopZ 主要参与铜在细胞内的传递和解毒 CopZ 在真核生物中的同源蛋白称为 Atx1, 可与铜输出蛋白直接结合而促进排出 CopZ/Atx1 的氨基端都有特异的金属结合区和 GXXCXXC 金属结合基序 [24] 最近, 一种新的金属硫蛋白 MymT 被发现亦参与了一些细菌中 CopA 相关的铜解毒过程 [25] 此外, 一些其他的铜输出系统, 如 CusCFBA 输出系统 ( 革兰氏阴性菌 ) PcoABCDRSE 系统 CutABCDEF 系统等都发现与铜的转运 代谢和解毒相关 [26-28] 在真核生物中, 铜主要经过特异性铜输入蛋白 Ctr 家族而从胞外获得 [29] Ctr 家族成员含有 3 个跨膜区和 N 端的蛋氨酸富集区, 后者对于胞外铜离子的获取非常重要 生物体中不同的 Ctr 蛋白往往定位于不同的生物膜上 例如, 酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) 含有 3 个 Ctr 蛋白,yCtr1~yCtr3 其中 yctr1 和 yctr3 定位在细胞膜上, 而 yctr2 则定位于液泡膜上, 负责铜离子从液泡向胞质的转运 人类

5 952 生命科学 第 24 卷 含有 2 个 Ctr 蛋白,hCtr1 和 hctr2 hctr1 是主要的铜输入蛋白, 主要定位于细胞膜, 部分也可定位于胞内核周围的各种囊泡上 hctr2 主要存在于内涵体和溶酶体上, 负责向胞质转运铜 真核生物中铜的输出则主要依赖于细菌 CopA 的同源蛋白,ATP7 家族 [30] 哺乳动物一般含有 2 种 ATP7 家族成员 :ATP7A 和 ATP7B ATP7A 主要在小肠上皮细胞和大多数其他组织 ( 除了肝脏 ) 内表达, 其主要功能是胞质中铜离子的外流和铜离子从胞质向高尔基体转运 ATP7B 则主要在肝脏表达, 参与铜蓝蛋白的合成 2.2 铜蛋白基于光谱和磁学性质, 铜结合蛋白可以分为三种类型 :I 型铜 ( 蓝铜 ) 和 II 型铜 ( 非蓝铜 ) 可通过电子自旋共振 (EPR) 谱检测到, 而 Ⅲ 型铜则无法用 EPR 探测到 [31] 有些铜蛋白 ( 如 MCO 等 ) 包含多种类型的铜中心, 而有些仅包含单类型的铜 表 1 列出了主要已知的铜蛋白 我们将介绍几种在比较基因组学研究中常用的铜蛋白家族 蓝铜蛋白 ( 或称 cupredoxin) 是一大类含 I 型铜的小分子铜蛋白, 主要参与细菌和植物的呼吸链和光合作用过程中的电子转移 该类蛋白主要包括质体蓝素家族 天青蛋白家族 铁硫菌蓝蛋白 绿丝菌蓝铜蛋白 梅蓝蛋白等等 [31] 其中研究最多的当属质体蓝素 该蛋白主要负责细胞色素 b6/f 到光系统 I 的电子传递, 其中的铜离子结合中心主要由两个组氨酸 1 个半胱氨酸和 1 个蛋氨酸组成 一种 红色铜蛋白 nitrosocyanin 是蓝铜蛋白的变体, 其铜的结合需要水分子参与 此外,I 型铜也存在于更大的酶中, 如亚硝酸还原酶和 MCO 家族 MCO 家族包含了许多成员, 如漆酶 抗坏血酸氧化酶 CueO PcoA EpoA Fet3p 亚铁氧化酶 血浆铜蓝蛋白和胆红素氧化酶等, 主要参与各种小分子和阳离子的氧化过程 [32] 大多数 MCO 含有 4 个铜中心 :1 个 I 型铜, 以及由 1 个 II 型铜和 2 个 III 型铜组成的三核中心 细胞色素氧化酶和一氧化氮还原酶都含有双核的铜中心 ( 称为 Cu A ) 和一个铁 - 硫 (Fe-S) 中心 细胞色素氧化酶是能量代谢中线粒体呼吸链的终端酶, 主要包括细胞色素 c 氧化酶和醌氧化酶两个重要的亚类 [33] 两种酶都含有若干亚基, 其中亚基 Ⅰ 都含有铜 ( 称为 Cu B ), 但是, 在细胞色素 c 氧化酶亚基 II 中存在 Cu A 中心, 而醌氧化酶亚基 II 丢失了 Cu A 中心 [34] 因此, 区分这两种酶的亚基 II 对于正确描述铜的利用是必需的 II 型铜蛋白主要包括了铜 - 锌超氧化物歧化酶 铜胺氧化酶 肽酰甘氨酸 α 羟化单加氧酶和多巴胺 β 单加氧酶等 [35] 其中铜 - 锌超氧化物歧化酶广泛分布于原核和真核生物中, 其铜结合位点由 4 个组氨酸构成 而铜胺氧化酶的铜结合位点则主要由 3 个组氨酸和 2 个水分子组成 其他铜蛋白包括 NADH 脱氢酶 2 酪氨酸酶 血蓝蛋白 Cnx1G 和半乳糖氧化酶等 :(1)NADH 脱氢酶 2 是一种与膜结合的含铜还原酶, 参与抗氧 表 1 铜依赖蛋白主要分类 原核生物 真核生物 质体蓝素家族 (Plastocyanin family): 主要包括 plastocyanin 质体蓝素家族 (Plastocyanin family) amicyanin pseudoazurin halocyanin 等 质体蓝素类蛋白 Plantacyanin 家族 : 主要包括 plantacyanin 天青蛋白家族 (Azurin family): 主要包括 azurin auracyanin 等 umecyanin mavicyanin stellacyanin etc.) 铁硫菌蓝蛋白 (Rusticyanin) 细胞色素 c 氧化酶亚基 I Nitrosocyanin 蛋白 细胞色素 c 氧化酶亚基 II 细胞色素 c 氧化酶亚基 I(Cytochrome c oxidase subunit I) 铜 - 锌超氧化物歧化酶 细胞色素 c 氧化酶亚基 II(Cytochrome c oxidase subunit II) 铜胺氧化酶 一氧化氮还原酶 (Nitrous oxide reductase) 肽酰甘氨酸 α 羟化单加氧酶 (Peptidylglycine NADH 脱氢酶 2(NADH dehydrogenase 2) α-hydroxylating monooxygenase) 铜 - 锌超氧化物歧化酶 (Cu-Zn superoxide dismutase) 多巴胺 β 单加氧酶 (Dopamine β-monooxygenase) 铜胺氧化酶 (Copper amine oxidase) 多铜氧化酶家族 : 主要包括漆酶 Fet3p 亚铁氧化酶 颗粒性甲烷单加氧酶 (Particulate methane monooxygenase) 血浆铜蓝蛋白 ceruloplasmin 抗坏血酸氧化酶等 多铜氧化酶家族 (Multicopper oxidases): 主要包括亚硝酸还原酶 酪氨酸酶 CueO CotA 漆酶 胆红素氧化酶 吩嗯嗪合成酶等 血蓝蛋白 (Hemocyanin) 酪氨酸酶 (Tyrosinase) Cnx1G 半乳糖氧化酶 (Galactose oxidase)

6 第 8 期刘克钦, 等 : 微量元素蛋白质组的比较基因组学研究 953 化和铜稳态调节, 使细胞能在高铜条件下生存 (2) 酪氨酸酶几乎是所有生物所共有的, 在色素沉着 伤口愈合和免疫反应中具有重要作用 [36] 酪氨酸酶 最重要的功能是通过 L- 二羟基苯丙氨酸由 L- 酪氨 酸合成黑色素 Ⅲ 型铜中心是它的活性位点, 这个 双核中心包含两个铜离子, 各由 3 个组氨酸残基结 合 在动物中, 两种酪氨酸酶相关蛋白 TRP1 和 TRP2 与酪氨酸酶具有显著的同源性, 并参与黑色 素的合成 [37-38] TRP1 是 5,6- 二羟基吲哚 -2- 羧酸 氧化酶,TRP2 是一个多巴色素变位酶 TRP1 和 TRP2 具有与酪氨酸酶相同的 6 个与金属结合的组 氨酸, 不过 TRP2 与锌结合, 而 TRP1 结合的金属 尚不清楚 ( 非铜非锌 ) [39] (3) 与酪氨酸酶类似, 血 蓝蛋白也属于 III 型铜蛋白, 仅存在于节肢动物和 软体动物的血淋巴中 [40] 血蓝蛋白是氧的载体蛋白, 为呼吸器官和组织精确地输送氧气 [41] 它有 6 个组 氨酸残基结合 2 个铜离子 血蓝蛋白家族中既有铜 依赖成员, 也有不依赖铜的成员 这些不依赖铜的 衍生血蓝蛋白失去了与铜结合和运输氧的能力, 转 而成为储存蛋白用以提供氨基酸 [42] (4)Cnx1G 是 Cnx1 蛋白的 G 结构域, 主要参与催化钼嘌呤中钼 元素的加入 最近的研究发现 Cnx1G 需要结合铜, 这就为铜和钼的代谢提供了重要的分子链接 [43] (5) 半乳糖氧化酶包含一个铜离子和由一个氨基酸衍生 的辅因子, 其中辅因子的合成需要半胱氨酸和酪氨 酸之间硫醚键的自催化, 而该酪氨酸正是结合铜的 位点之一 [44] 2.3 铜的比较基因组学研究 近年来, 若干比较基因组学研究陆续开展, 分 析不同生物中铜的利用和铜蛋白的分布情况 [45-48] 例如, 一个研究工作归纳出 PDB 中金属蛋白的金 属结合模式, 并用于寻找新的金属蛋白 [45] 利用得 到的铜结合模式, 结合进一步的金属蛋白序列分析 和结构域识别, 就可以发现新的铜蛋白 在该方法 的基础上, 科学家在 57 种测序的原核和真核生物 中分析了铜蛋白的分布情况 [46] 这些初步的研究发 现, 铜蛋白质组不到生物总蛋白质组的 1%, 而且 铜蛋白质组的大小与总蛋白质组的大小无关 最近, 我们对数百种原核生物和真核生物的铜 的使用进行了更为详尽的分析 [47-48] 根据表 1 的方 法, 我们分析了铜的基本利用情况, 铜转运蛋白和 铜蛋白的各种特征 研究表明, 铜在细菌中广泛使 用, 约 80% 的细菌可以利用铜, 并至少含有一个铜 蛋白 某些细菌门类 ( 如热袍菌 硬壁菌 / 柔膜菌 衣原体和螺旋体 ) 中几乎都不含有已知的铜蛋白 在古菌中, 仅有一半物种可以利用铜 虽然许多生物缺乏铜蛋白, 但却含有铜排出体系 ( 主要是 CopA), 说明铜的利用和排出过程可能是相互独立的, 许多物种需要利用铜排出蛋白以防止意外进入的铜离子的侵害 含有各种铜转运蛋白最多的细菌是 Acidovorax sp. JS42 和 Ralstonia pickettii ( 分别是 10 个与 9 个 ) 该两种生物都存在于高度污染的环境中, 因此可能需要更有效的机制来维持细胞内铜的内稳态 在真核生物中, 超过 96% 的物种都需要铜, 说明铜对真核生物的重要性要远大于原核生物 所有能利用铜的生物中都能检测到铜输出蛋白 ATP7, 超过 90% 的利用铜的生物中都含有铜输入蛋白 Ctr1 大部分生物仅包含 1~3 个 Ctr1 基因, 而线虫类则含有多个 Ctr1 基因, 特别是秀丽隐杆线虫 (Caenorhabditis elegans) 有 11 个 Ctr1 基因, 表明线虫对铜的吸收和运输的复杂性 [48] 这些 Ctr1 蛋白可能表达于不同的膜上或不同的组织中 另外, 含 ATP7 基因最多的是疫霉属 (Phytophthora) 生物 (6 个 ATP7 基因 ) 在对铜蛋白的研究中, 我们发现细胞色素 c 氧化酶亚基 I 和亚基 II 是原核生物中分布最广泛的铜蛋白 其他一些铜蛋白家族, 如铜 - 锌超氧化物歧化酶 质体蓝素和不同的 MCO 蛋白亦存在于很多的原核生物中 与之相反,nitrosocyanin 铜胺氧化酶和酪氨酸酶则分布非常有限 此外, 一些细菌特异的铜蛋白, 如天青蛋白 nitrosocyanin 和酪氨酸酶等, 在古菌中已经缺失, 而一种特殊的蓝铜蛋白 铁硫菌蓝蛋白, 仅存在于古菌中 进一步对铜蛋白质组的研究表明, 含有较大铜蛋白质组的物种往往属于变形菌门 (Proteobacteria), 特别是根瘤菌科 (Rhizobiaceae), 目前含最大铜蛋白质组的物种都属于该科 (Sinorhizobium medicae 和 Sinorhizobium meli-loti, 分别含 22 个铜蛋白 ) 在古菌中, 含较大铜蛋白质组的物种主要存在于嗜盐菌目 (Halobacteriales), 其中 Haloarcula marismortui 拥有最大的原核生物铜蛋白质组 (25 个铜蛋白 ) 几乎一半的原核生物铜蛋白并不存在于真核生物中 另一方面, 新的铜蛋白亦在真核生物中出现, 例如质体蓝素类蛋白 Plantacyanin 肽酰甘氨酸 α 羟化单加氧酶 血蓝蛋白和半乳糖氧化酶 细胞色素 c 氧化酶亚基 I 和亚基 II MCO 和铜 - 锌超氧化物歧化酶是分布最广的铜蛋白 在真核生物中, 陆

7 954 生命科学 第 24 卷 地植物含有最大的铜蛋白质组 例如, 拟南芥和稻 各含有 62 个和 78 个铜蛋白 [48], 绝大多数蛋白都属 于质体蓝素类蛋白 铜胺氧化酶和多铜氧化酶家族, 说明了它们在植物代谢中的重要性 一个有趣的发现是, 生活在富氧环境的生物一 般都需要铜, 而大多数厌氧生物并不使用铜 [47-49] 此外, 需氧生物的铜蛋白组一般也比厌氧生物的更 大 这与铜蛋白的产生和进化是受地球氧气增加影 响的观点是一致的 [50] 3 钼 钼也是一种必需微量元素, 主要参与碳 氮和 硫化合物的循环代谢 除了固氮酶是利用铁 - 钼外, 所有的含钼酶都是通过钼嘌呤的形式 ( 钼酸盐与嘌 呤结合形成的钼辅因子,Moco) [51] 另外, 一些微 生物 ( 主要是嗜热古菌 ) 用类似的方式利用钨来参 与合成醛铁氧还蛋白氧化还原酶 [51-52] 由于钼和钨 的理化性质非常相似, 基于序列分析的方法无法正 确区分这两种金属的利用 因此, 除特定说明外, 本综述中的钼辅因子泛指两种金属 3.1 钼的转运和钼辅因子的合成细菌中首先发现的钼转运蛋白是 ModABC 转运系统, 包含 ModA( 钼结合蛋白 ) ModB( 膜通道蛋白 ) 和 ModC( 细胞质 ATP 酶 ) [53] 在大肠杆菌中, ModABC 基因的表达由阻遏蛋白 ModE 调控 [54] ModE 蛋白包含 N- 端的 DNA 结合域 ModE_N 和 C- 端的钼酸盐结合域, 后者包括一个串联的钼结合蛋白域 (Mop) 的重复 ( 又称为双 Mop 域 ) ModE 还可以调节一些与合成钼嘌呤相关的酶和含钼酶的基因表达 ModABC-ModE 系统广泛存在于不同生物中, 但是一些 ModE 的变体也在某些物种中发现 [55] 近年来又发现了两种新的钼 / 钨转运系统 :WtpABC ( 钼和钨同时转运 ) 和 TupABC ( 钨特异性转运体系 ) [56-57] 目前对这两种转运系统的调控尚不清楚 此外, 一种新的蛋白家族 PerO 的某些成员亦参与了某些细菌中钼的转运, 这是迄今为止第一个报道的非 ABC 系统的钼转运蛋白 [58] 与原核生物相比, 真核生物中的钼的转运所知甚少 2007 年, 在拟南芥和莱茵衣藻中首次发现了钼转运蛋白 MOT1, 它属于硫酸盐转运超家族 [59] 在拟南芥中,MOT1 主要在根细胞表达, 定位于线粒体而非细胞膜 最近, 一种新的钼转运蛋白 MOT2 也在莱茵衣藻和动物 ( 包括人类 ) 中发现, 为进一步认识钼在动物中的转运过程提供了重要线索 [60] 钼辅因子的合成过程包含了数个进化上较为保守的步骤 ( 图 2) 这些步骤主要包括 :(1) 将鸟苷衍生物 ( 主要是三磷酸鸟苷 ) 转化为 cpmp( 或称为前体 Z) ;(2) 将 cpmp 转化成钼嘌呤 ;(3) 钼加入到钼嘌呤中 ;(4) 某些生物需要钼嘌呤的进一步加工成为活性钼辅因子, 如形成双核形式的钼嘌呤鸟嘌呤二核苷酸 (MGD) 或在钼辅因子硫化酶作用下用硫取代钼嘌呤中的一个末端氧原子 [51-52] 在大肠杆菌中, 合成与调控钼辅因子的的蛋白基本都是由 moa-mog 操纵子编码 [51] 真核生物中至少 6 个蛋白 ( 植物中命名为 Cnx1-3 和 Cnx5-7) 参与该过程, 且这些蛋白与细菌中的蛋白同源 [51,61] 在比较基因组学中, 可利用 moa-mog 和 cnx 基因群分别确定原核和真核生物是否能合成钼辅因子 最新研究发现, 拟南芥中钼辅因子合成的第一步发生在线粒体基质中 一种线粒体 ABC 转运蛋白 ATM3 对于 cpmp 的转运至关重要 [62] 关于钼辅因子合成后的存贮和转移机制在细菌中已有所研究, 而在真核生物中尚不清楚 目前仅在某些藻类和植物中发现有钼辅因子携带蛋白 (MCP) [51] 3.2 含钼酶除了固氮酶直接利用钼以外, 其他的含钼酶都需要结合钼辅因子 表 2 列出了主要的含钼酶家族 利用钼辅因子的含钼酶可分为 4 个家族 : 亚硫酸盐氧化酶 (SO) 黄嘌呤氧化酶 (XO) 二甲亚砜还原酶 (DMSOR) 和醛铁氧还蛋白氧化还原酶 (AOR, 钨特异性酶 ), 以及新发现的钼辅因子结合蛋白 marc 每个家族可进一步划分成不同子家族 原核生物包含这些家族的几乎所有成员, 而真核生物一般只含有 4 个含钼酶 : 硝酸盐还原酶和亚硫酸盐氧化酶 ( 都属于 SO 家族 ), 以及黄嘌呤脱氢酶和醛氧化酶 ( 都属于 XO 家族 ) [51,61] SO 家族主要包括亚硫酸盐氧化酶和同化硝酸盐还原酶 前者主要存在于真核生物中, 定位于线粒体内外膜间区, 催化含硫氨基酸最后的氧化降解过程 后者仅在某些自养生物 ( 如植物和真菌 ) 中发现, 催化硝酸盐到亚硝酸盐的还原过程 XO 家族是最大的含钼酶家族 主要成员包括黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤脱氢酶 醛氧化酶以及各种细菌特异性酶 DMSOR 家族也包含了许多成员, 且仅存在于古菌和细菌中 在其中一些酶中钼是唯一的氧化还原活性中心 该家族中大部分酶都是缺氧条件下参与呼吸链的末端还原酶 其中的二甲亚砜还原酶本

8 第 8 期刘克钦, 等 : 微量元素蛋白质组的比较基因组学研究 955 该过程可以分为 3~4 个步骤 A, 原核生物钼辅因子的合成 ;B, 真核生物钼辅因子的合成 图中参与催化过程的蛋白酶名称 相应地来源于大肠杆菌和拟南芥 图 2 钼辅因子的合成过程 身广泛存在于各种细菌中 另一个广泛分布的成员 甲酸脱氢酶, 在一些生物体中还能结合硒 [63] AOR 家族主要负责醛与羧酸的相互转化, 并且是第一个发现的钨特异性结合蛋白 [64] 该家族的其他成员还包括甲醛铁氧还蛋白氧化还原酶 甘油醛铁氧还蛋白氧化还原酶和羧酸还原酶等 除了以上 4 种主要的含钼酶家族以外, 最近新的钼辅因子结合蛋白陆续在哺乳动物和大肠杆菌中被发现 [65-67] 哺乳动物中, 一种钼辅因子结合蛋白被发现存在于线粒体外膜上, 称为线粒体胺肟还原蛋白 (marc) 研究发现, 人 marc 蛋白可催化各种 N- 羟基化底物的还原 [67-68] 因此,mARC 蛋白和其相关的 N- 还原酶系统可能对于药物代谢 ( 尤 其是胺肟相关药物 ) 和 N- 羟基化外来物质的解毒具有重要作用 3.3 钼的比较基因组学研究目前, 比较基因组学对钼在不同生物中的利用和进化趋势的研究非常有限 我们曾开展了若干关于钼在原核生物和真核生物利用与代谢过程的比较研究 [48-49,55,69] 通过对细菌 古菌和真核生物中的钼转运系统 钼辅因子合成机制和含钼酶进行比较分析, 我们发现了许多钼在不同生物中的利用特征 首先, 大多数原核生物和所有高等真核生物 ( 如植物和脊椎动物 ) 都能利用钼, 而一些低等真核生物, 如寄生虫 部分真菌和纤毛虫则失去了利用钼的能力

9 956 生命科学 第 24 卷 表 2 含钼酶主要分类 分类 家族 蛋白 钼辅因子结合蛋白 亚硫酸盐氧化酶 (Sulfite oxidase) 亚硫酸盐氧化酶 (Sulfite oxidase) 同化硝酸盐还原酶 (Nitrate reductase, assimilatory) 黄嘌呤氧化酶 (Xanthine oxidase) 黄嘌呤氧化酶 (Xanthine oxidase) 黄嘌呤脱氢酶 (Xanthine dehydrogenase) 醛氧化酶 (Aldehyde oxidase) 醛氧化还原酶 (Aldehyde oxidoreductase) 4 羟基辅酶 A 还原酶 (4-hydroxybenzoyl-CoA reductase) 一氧化碳脱氢酶 (CO dehydrogenase) 喹啉 2- 氧化还原酶 (Quinoline 2-oxidoreductase) 异喹啉 1- 氧化还原酶 (Isoquinoline 1-oxidoreductase) 喹啉 4- 羧酸 -2- 氧化还原酶 (Quinoline 4-carboxylate-2-oxidoreductase) 喹啉 4- 氧化还原酶 (Quinaldine 4-oxidoreductase) 喹哪啶酸 4- 氧化还原酶 (Quinaldic acid 4-oxidoreductase) 烟酸羟化酶 (Nicotinic acid hydroxylase) 6- 羟基烟酸羟化酶 (6-hydroxynicotinate hydroxylase) 烟碱脱氢酶 (Nicotine dehydrogenase) 吡啶羧酸羟化酶 (Picolinate hydroxylase) 吡哆醛氧化酶 (Pyridoxal oxidase) 烟酸盐羟化酶 (Nicotinate hydroxylase) 二甲亚砜还原酶 二甲亚砜还原酶 (Dimethylsulfoxide reductase) (Dimethylsulfoxide reductase) 生物素亚砜还原酶 (Biotin sulfoxide reductase) 三甲基胺 -N- 氧化还原酶 (Trimethylamine-N-oxide reductase) 非同化硝酸盐还原酶 (Nitrate reductase, dissimilatory) 甲酸脱氢酶 (Formate dehydrogenase) 亚甲基呋喃脱氢酶 (Formylmethanofuran dehydrogenase) 多硫化物 / 硫代硫酸盐 / 砷酸盐还原酶 (Polysulfide/thiosulfate/arsenate reductase) 亚砷酸盐氧化酶 (Arsenite oxidase) 邻苯三酚 - 间苯三酚转羟基酶 (Pyrogallol-phloroglucinol transhydroxylase) 醛铁氧还蛋白氧化还原酶 醛铁氧还蛋白氧化还原酶 (Aldehyde:ferredoxin oxidoreductase) (Aldehyde:ferredoxin 甲醛铁氧还蛋白氧化还原酶 (Formaldehyde ferredoxin oxidoreductase) oxidoreductase, 钨特异性 ) 甘油醛铁氧还蛋白氧化还原酶 (Glyceraldehyde-3-phosphate ferredoxin oxidoreductase) 羧酸还原酶 (Carboxylic acid reductase) 羟基羧酸紫精氧化还原酶 (Hydroxycarboxylate viologen oxidoreductase) 醛脱氢酶 (Aldehyde dehydrogenase) 含 MOSC 域蛋白 marc/ycbx YiiM 铁 - 钼结合蛋白 固氮酶 固氮酶 在细菌中, 钼的摄取主要是通过 ModABC 系统, 而其他两种转运系统的分布则非常有限, 特别是 WtpABC, 仅存在于 3% 利用钼的细菌中 而在古菌中,WtpABC 却是分布最为广泛的转运体系 另外, 全长的 ModE 仅存在于不到 30% 利用钼的细菌中, 而各种 ModE 的变体 (ModE_N 蛋白,ModE_ N 或 Mop 结构域与其他结构域的融合蛋白 ) 却广泛 存在于不同物种中, 提示了 ModE 相关调控的复杂性 在真核生物中, 大多数利用钼的生物含有 MOT1 或 MOT2, 说明这两种新发现的转运蛋白的重要性 当然, 真核生物中可能还存在未知的钼转运系统 细菌含钼酶中,DMSOR SO 和 XO 家族都广泛分布, 尤其是 DMSOR 家族成员存在于超过 90%

10 第 8 期刘克钦, 等 : 微量元素蛋白质组的比较基因组学研究 957 的利用钼的物种中 相反, 钨特异性的 AOR 家族 仅存在于 15% 的物种中 而在古菌中, 含有 AOR 家族的物种高达 70% 以上 与其他细菌相比, 变 形菌门含有更大的钼蛋白质组 而原核生物中最大 的钼蛋白质组则存在于脱氯菌 Desulfitobacterium hafniense 中 (63 个含钼酶,95% 属于 DMSOR 家族 ) 真核生物的含钼酶比原核生物少的多, 只有 SO 和 XO 两个家族 陆生植物含有较大的钼蛋白质组 (10~11 个含钼酶 ) 有趣的是, 酵母纲 (Saccharomycotina) 和裂殖酵母纲 (Schizosaccharomycetes) 完全失去了 对钼的利用, 说明钼已不再为这些生物所必需 我们对最近发现的钼蛋白 marc 及其在细菌 中的同源蛋白 YiiM 和 YcbX 进行了深入研究后发 现,mARC 和 YcbX 都具有 N- 端的 MOSC_N 和 C- 端的 MOSC 结构域, 前者功能未知, 后者可结合 钼辅因子 这两个结构域也同时存在于钼辅因子硫 化酶中 而 YiiM 蛋白仅含有 MOSC 结构域 [69] 这 些蛋白都属于 MOSC 超家族 基于生物信息学的 分析, 哺乳类 marc 蛋白和细菌 YcbX 蛋白可以认 为是同一个家族 ( 称为 marc/ycbx 家族 ), 而 YiiM 则属于 MOSC 超家族中另一个子家族 比较基因 组学分析结果表明这两个家族都广泛分布于细菌 中, 而真核生物则主要含有 marc 蛋白 原核生物中钼和硒的利用存在明显关联, 钼的 利用对硒的利用有很大影响 这主要是由于甲酸脱 氢酶在很多物种里是含硒蛋白, 并与维持硒在细菌 中的使用密切相关 [55,69] 最后, 一些环境和其他因素可能影响钼的利用 和含钼酶家族的分布 大多数胞内寄生或共生生物 失去了对钼的利用, 可能是因为这种金属的生物利 用率有限或宿主体内已经有可利用的通路 AOR 主要存在于厌氧生物中, 而 SO 和 XO 家族主要存 在于需氧生物中 这些研究成果对于进一步认识钼 在不同生物体中利用 功能和进化趋势提供了重要 的参考信息 4 镍和钴 镍主要存在于一些与能量和氮代谢相关的金属 酶中, 而钴主要参与维生素 B 12 的合成, 再进一步 被各种含维生素 B 12 的酶利用 表 3 包含了主要含 镍和含维生素 B 12 的蛋白 4.1 镍与钴的转运 目前对镍和钴的转运系统只在原核生物中发 现, 在真核生物中尚没有特异性转运蛋白的报道 在原核生物中, 这两种金属使用类似的转运系统 因此, 确认转运系统中不同成员对两者的偏好性对 于比较基因组学研究非常重要 细菌中, 镍和钴的 摄取主要依靠 NikABCDE 系统和其他一些转运蛋 白 [70] NikABCDE 系统是研究最多的系统 其中 NikA 蛋白负责与胞外金属离子的结合 对于 NikA 金属结合位点目前还不清楚, 不过一些残基 ( 尤其 是某些组氨酸 ) 可能参与此过程 此外, 另一种类 似 ABC 转运系统的 Cbi/NikMNQO 系统及其变体 Cbi/ NikKMLQO 系统也被发现参与镍或钴的摄取 [17,71] 其他一些镍 / 钴转运蛋白包括 NiCoT UreH 和 HupE/UreJ [72] 这些家族的不同成员在不同生物 体中对镍和钴的亲和力各有不同, 包括镍特异性, 镍 / 钴无选择性和钴特异性, 因此对其具体功能的 分析往往需要结合基因所在的位置和相邻基因与镍 或钴代谢的关系等信息 [17] 许多细菌往往含有一种阻遏蛋白 NikR, 用来 调控 NikABCDE 基因的表达 [73] 在某些生物中, NikR 也可以用来调控其他的转运系统如 NikMNQO 和镍特异性 NiCoT 的基因表达 4.2 镍依赖蛋白 [17] 原核生物中主要的严格镍依赖性蛋白包括尿素 酶 镍 - 铁氢化酶 一氧化碳脱氢酶 (CODH) 乙 酰辅酶 A 脱羧酶 / 合成酶 (CODH/ACS) 超氧化物 歧化酶 SodN 和甲基 - 辅酶 M 还原酶 (MCR) 此外, 还有一些镍结合蛋白在某些生物体中亦有发现 但 是, 这些镍结合蛋白在其他生物体中却结合其他金 属 例如乙二醛酶 I 在大肠杆菌和一些人体寄生虫 中结合镍, 但是在人 酵母和其他一些细菌中结合 锌 因此, 这样的蛋白在镍的比较基因组学研究中 一般不考虑 真核生物中, 尿素酶是唯一一个已知 的镍依赖性酶 不过一些含镍的化合物在真核生物 中也有报道 尿素酶是第一个发现的含镍酶, 广泛分布于细 菌 真菌和植物中, 主要催化尿素水解为二氧化碳 和氨 植物中的尿素酶是由相同链组成的六聚物, 而细菌中的则由 2 或 3 个不同亚基组成 氢化酶主要催化二氢键的可逆反应 根据金属 的利用不同, 该类酶可以分为三类 : 铁 - 铁氢化酶 镍 - 铁氢化酶和非铁非镍氢化酶 [74] 其中镍 - 铁氢 化酶是研究最为广泛的一种, 主要参与各种氢的氧 化 基于结构分析,2 个基序可能参与与镍的结合 : N- 端的 RxCGxC 和 C- 端的 DPCxxC 其他的镍依赖蛋白则相对分布有限 其中 MCR

11 958 生命科学 第 24 卷 对镍的利用与其他蛋白不同 该类蛋白主要存在于 产甲烷古菌中, 催化甲烷合成的最后一步 在 MCR 中, 镍存在于一种称为辅酶 F 430 的四吡咯化合 物中 [75] 4.3 维生素 B 12 的摄取 钴主要以维生素 B 12 的形式被许多生物利用 有些微生物可以自合成维生素 B 12, 但是很大一部 分生物 ( 包括所有真核生物 ) 都无法合成, 必须利 用外源性 B 12 迄今为止, 在原核生物中已知的维 生素 B 12 转运系统只有 BtuFCD 系统, 包含一个周 质结合蛋白 BtuF 和两个 ABC 转运亚基 BtuC 和 BtuD [76] 在革兰氏阴性菌, 对维生素 B 12 的吸收还 包含一个依赖 TonB 的外膜受体 BtuB 所形成的 BtuFCD 复合物 哺乳动物则利用饮食, 通过肠吸收, 血液传输和细胞摄取获得维生素 B 12 三种重要的 蛋白 ( 胃中的维生素 B 12 结合蛋白 haptocorrin 内 因子和钴胺传递蛋白 ) 和一些特异性细胞受体参与 了这些过程 [77] 维生素 B 12 在其他真核生物 ( 如藻类 ) 中的摄取尚不清楚 4.4 维生素 B 12 结合蛋白已知的维生素 B 12 结合蛋白可以分成三大类 : 钴酰胺异构酶家族, 甲钴胺甲基转移酶家族和 B 12 依赖性还原脱卤酶家族 ( 表 3) [78] 这些家族可以进一步划分为不同子家族 ( 表 3) 绝大多数成员都含有保守的 DXHXXG 基序, 用于结合 B 12 中的钴原子 [49] 钴酰胺异构酶家族是最大的 B 12 蛋白家族, 主要存在于细菌中 该家族包括甲基丙二酰辅酶 A 变位酶 (MCM) 异丁酰辅酶 A 变位酶 (ICM) 乙基丙二酰辅酶 A 变位酶 (ECM) 谷氨酸变位酶 (GM) 亚甲基戊二酸变位酶 (MGM) D- 赖氨酸 5,6- 氨基变位酶 (5,6-LAM) 二醇脱水酶 (DDH) 甘油脱水酶 (GDH) 乙醇胺氨裂解酶 (EAL) 和 B 12 依赖性核糖核苷酸还原酶 (RNR II) 甲钴胺甲基转移酶家族对于各种生物体中氨基酸代谢和碳代谢具有重要作用 甲硫氨酸合成酶 (MetH) 是该家族中最常见的蛋白 此外, 该家族还包括了一些针对不同底物的其他甲基转移酶, 如 Mta Mtt Mtb Mtm Mts 和 Mtv 等 B 12 依赖性还原脱卤酶家族主要包括 CprA 蛋白酶 在厌氧微生物中, 该酶对于氯化的芳香族和脂肪族有机物的解毒具有重要作用 绝大多数 B 12 表 3 镍和钴结合蛋白镍结合蛋白钴 ( 维生素 B 12 ) 结合蛋白尿素酶 (Urease) 钴酰胺异构酶家族 (Adenosylcobalamin-dependentiso- 镍 - 铁氢化酶 (Ni-Fe hydrogenase) merase family) 一氧化碳脱氢酶 (Carbon monoxide dehydrogenase) 甲基丙二酰辅酶 A 变位酶 (Methylmalonyl-CoA mutase) 乙酰辅酶 A 脱羧酶 / 合成酶 (Acetyl-coenzyme A decarbonylase/synthase) 异丁酰辅酶 A 变位酶 (Isobutyryl-CoA mutase) 超氧化物歧化酶 SodN(Superoxide dismutase) 乙基丙二酰辅酶 A 变位酶 (Ethylmalonyl-CoA mutase) 甲基 - 辅酶 M 还原酶 (Methyl-coenzyme M reductase, 使用 F 430 作为辅因子 ) 谷氨酸变位酶 (Glutamate mutase) 亚甲基戊二酸变位酶 (Methyleneglutarate mutase) D- 赖氨酸 5,6- 氨基变位酶 (D-ly sine 5,6-aminomutase) 二醇脱水酶 (Diol dehydratase) 甘油脱水酶 (Glycerol dehydratase) 乙醇胺氨裂解酶 (Ethanolamine ammonia lyase) B 12 依赖性核糖核苷酸还原酶 (B 12 -dependent ribonucleotide reductase) 钴胺甲基转移酶家族 (Methylcobalamin-dependent methyltransferase family) 甲硫氨酸合成酶 (Methionine synthase, MetH) 其他的甲基转移酶 :Mta Mtm Mtb Mtt Mts Mtv B 12 依赖性的还原脱卤酶家族 (B 12 -dependent reductive- dehalogenase family) CprA

12 第 8 期刘克钦, 等 : 微量元素蛋白质组的比较基因组学研究 959 依赖性还原脱卤酶也包含铁 - 硫簇 在真核生物中, 只有三种 B 12 依赖性蛋白被发现 :MetH MCM 和 RNR II, 说明钴在真核生物中的利用非常有限 4.5 镍和钴 ( 维生素 B 12 ) 的比较基因组学研究早期对大约 200 种微生物中镍 / 钴转运系统的比较基因组研究发现, 编码镍 / 钴转运蛋白的基因往往与编码含镍酶或合成 B 12 相关的基因定位在基因组的同一区域 Cbi/NikMNQO( 包含 Cbi/NikKMLQO 变体 ) 是微生物中最常见的钴和镍转运家族 [17] 另 一个对原核生物 B 12 代谢与调控的比较基因组学研究发现, 编码 B 12 合成和转运的基因上游区域存在调节 B 12 的核开关结构 通过全基因组范围内搜索 B 12 相关的核开关, 可以找到一些新的与 B 12 合成或转运相关的基因 此外,B 12 转运系统 BtuFCD 在细菌和古细菌中广泛存在, 有些也受 B 12 核开关调 节 [79] 在此基础上, 我们对 700 多种真核与原核生物 展开了更为详尽的镍和钴的利用分析 [48,80] 通过对 镍 / 钴转运系统和相关的金属蛋白质组等多层次分析, 我们发现它们在细菌和古菌中被广泛使用, 而且大部分生物都能同时利用这两种金属 在细菌中, 尿素酶和 MetH 分别是镍和钴最常见的蛋白家族 而在古菌中, 镍 - 铁氢化酶和 RNR II 则是镍和钴最常见的蛋白 ( 尿素酶和 MetH 在古菌中极少见或已丢失 ) 进一步对镍和钴的金属蛋白质组的分析发现, 大多数原核生物只含有较小的镍蛋白质组和钴蛋白质组 (1~4 个蛋白 ) 最大的镍蛋白质组存在于 Deltaproteobacterium MLMS-1 中 (16 个含镍蛋白 ), 而最大的钴 (B 12 ) 蛋白质组存在于 Dehalococcoides sp. CBDB1 (35 个 B 12 结合蛋白 ) 与钼的利用相似, 大多数胞内寄生或共生生物失去了对镍和钴的利用 真核生物对于镍和钴的利用与原核生物明显不同 无论是转运蛋白的数量还是金属蛋白质组的大小, 在真核生物中都明显受限制 有意思的是, 极少有真核生物能同时利用这两种金属 镍主要在真菌 ( 除酵母纲外 ) 和植物中使用, 而钴主要被动物利用 NiCoT 是最主要的真核生物镍转运蛋白 尿素酶和 MetH 分别是镍和钴最常见的蛋白家族 真核生物并不含有很大的镍或钴金属蛋白质组 一般只有单个尿素酶或 1~3 个 B 12 结合蛋白存在 不过, 极少数单细胞真核生物, 如盘基网柄菌 (Dictyostelium discoideum) 和疫霉属生物, 却含有全部已知的 真核生物 B12 依赖性蛋白 5 锌 [48] 锌是所有生物体所必需的微量元素, 并且也是生命起源的关键要素, 存在于多种酶 结构蛋白 转录因子 核糖体蛋白等蛋白质中, 与生长 发育 生殖 视觉和免疫功能等多种生理活动密切相关 [81] 关于锌的摄取 储存 内稳态和锌结合蛋白已经在许多综述里介绍过 这里我们仅讨论锌蛋白质组的比较基因组学研究 对于锌蛋白质组的研究主要是利用了已知的锌结合模式或锌结构域, 对部分代表性物种进行分析 例如, 早期的比较基因组学研究针对 57 个不同的原核和真核物种进行了锌蛋白质组的初步分析 [82] 该研究发现, 锌结合蛋白广泛存在于所有研究物种中, 并且锌蛋白质组的大小与总蛋白质组的大小密切相关 原核生物中的极端嗜热菌往往具有更多的锌蛋白, 可能与锌能增加高温条件下蛋白结构的稳定性有关 但是一般来说, 原核生物锌蛋白质组的比重要低于真核生物 ( 人至少含 个锌蛋白, 约为人类蛋白质组的 10% ) 真核生物中, 接近四分之三的锌蛋白并不存在于原核生物, 说明大多数真核生物锌蛋白起源于真核生物祖先 另外, 真核生物与原核生物的锌蛋白功能也大不一样 前者中锌蛋白主要参与催化和 DNA 转录调控, 而后者中主要参与各种酶催化过程 除了对锌蛋白质组的研究外, 比较基因组学还被用来研究锌蛋白家族对锌的依赖性 早期对若干核糖体蛋白的研究发现, 一些结合锌的核糖体蛋白家族中 ( 如 S14 S18 L31-L33 L36 等 ) 同时存在锌依赖型和非锌依赖型成员 [83] 前者含有 4 个保守的半胱氨酸 ( 有时是组氨酸 ) 用来结合锌, 而后者中这些残基已经部分或全部变异, 无需锌的结合 最近, 我们也利用 PDB 数据库对锌结合蛋白家族中锌的依赖性问题进行了更全面的研究 [84] 我们发现,PDB 中约 20% 的锌蛋白家族存在明显的非锌依赖型成员, 例如蛋氨酸硫氧化物还原酶, 一些 trna 合成酶 核糖体蛋白和 DNA 聚合酶 III 的几种亚基等 此外, 我们还对这些锌蛋白家族在数百种细菌中的发生情况进行了分析, 发现大多数细菌一般只包含一种类型的成员 这些结果说明, 大部分锌蛋白家族是严格依赖锌的 一小部分锌蛋白家族在原核生物和真核生物的祖先中就已经出现了非锌依赖型成员, 并随着进化逐渐分布到众多现代生

13 960 生命科学 第 24 卷 物中 6 硒硒是一种人和许多生物所必需的微量元素, 具有重要的抗氧化功能, 与糖尿病 癌症 AIDS 等重大疾病都有密切联系 [85] 另外, 硒还参与生物的生长 发育 生殖和免疫功能, 在抗病毒 消炎和预防心血管疾病等方面亦有重要作用 硒主要通过硒代半胱氨酸 (selenocysteine, Sec) 的形式被生物体所利用 此外, 硒还参与合成硒代甲硫氨酸 硒尿苷和硒糖等小分子量含硒复合物 6.1 硒代半胱氨酸的合成与其他金属离子直接与蛋白结合的方式不同, 硒是在 mrna 翻译过程中以 Sec 的形式出现在蛋白中的 Sec 又被称为第 21 个氨基酸 [86] 含有 Sec 的蛋白称为硒蛋白 关于 Sec 的合成及其插入到蛋白多肽链的分子机制已经基本清楚, 并已在许多综述中讨论过, 该机制的主要特点就是对终止密码子 UGA 的重编码以用作 Sec 的密码子 ( 图 3) 在细菌中, 该机制主要包括一个编码 Sec 的 UGA 密码子 (Sec-UGA), 一个 Sec 插入序列 (SECIS) 元件和若干相关蛋白酶 [87] SECIS 元件是一个茎环样二级结构, 存在于硒蛋白 mrna 上并紧跟 Sec- UGA 密码子 细菌中的 Sec 合成及插入硒蛋白的模型参见图 3A 概括的说,SECIS 元件结合 Sec 特异性延伸因子 SelB 并和 Sec 特异性的 trna [Ser]Sec 形成一个复合物 trna [Ser]Sec 首先在丝氨酸 -trna 合成酶 (SerS) 作用下结合丝氨酸, 然后再在 Sec 合成酶 SelA 的催化下利用硒磷酸合成 Sec-tRNA [Ser]Sec, 而硒磷酸的合成则需要硒磷酸合成酶合成酶 SelD A, 细菌硒代半胱氨酸的合成 ;B, 真核生物硒代半胱氨酸的合成 图中参与各种催化反应的酶详见正文 图 3 硒代半胱氨酸的合成过程

14 第 8 期刘克钦, 等 : 微量元素蛋白质组的比较基因组学研究 961 真核生物和古菌中 Sec 的生物合成需要额外的步骤和相关的酶 ( 图 3B) 真核生物和古菌的 SECIS 位于硒蛋白 mrna 的 3'-UTR 真核生物 Sec 特异性延伸因子 eefsec 仅能结合 Sec-tRNA [Ser]Sec, 因此与 SECIS 和核糖体的结合还需要其他蛋白, SECIS 结合蛋白 (SBP2) 和核糖体蛋白 L30 核糖体蛋白 L30 与 SECIS 结合并可以与 SBP2 竞争 与细菌 SelA 对应的蛋白是 SecS 此外一个额外的激酶 PSTK 也参与了 Sec 的合成过程 一些真核生物 ( 包括所有脊椎动物 ) 存在两个不同的 SelD 同源蛋白 SPS1 和 SPS2 只有 SPS2 参与从硒化物合成硒磷酸与 Sec [88-89] 6.2 硒蛋白利用 Sec 合成的特殊分子机制以及 SECIS 元件的位置和保守特征, 近年来一些生物信息学算法和工具 ( 如 SECISearch 和 bsecisearch) 被陆续开发, 来预测不同基因组中的硒蛋白基因 [90-93] 此外, 利用大部分硒蛋白都含有半胱氨酸同源蛋白的特征, 一些独立于 SECIS 的算法也同时发展起来, 用于预测环境基因组中的硒蛋白 [94-96] 这些算法的预测精度都比较高 在此基础上, 许多新的硒蛋白家族被陆续发现并被实验验证 人和小鼠中各含有 25 个和 24 个硒蛋白 [97] 表 4 列出了主要的硒蛋白家族 虽然一半以上硒蛋白的功能还不清楚, 但已知功能 表 4 主要的硒蛋白家族 真核生物 原核生物 哺乳动物中的硒蛋白 甲酸脱氢酶 (formate dehydrogenase) 脱碘酶家族 (deiodinase family) 亚甲基呋喃脱氢酶 (formylmethanofuran dehydrogenase) DI DII DIII 硒磷酸合成酶 (selenophosphate synthetase, SelD) 谷胱甘肽过氧化物酶家族 (glutathione peroxidase family, GPx) 辅酶 F420 还原性氢化酶 (coenzyme F420-reducing hydrogenase) GPx1 Gpx2 Gpx3 Gpx4 GPx6 甘氨酸还原酶硒蛋白 A(glycine reductase selenoprotein A) 硫氧还蛋白还原酶家族 (thioredoxin reductase family, TR) 甘氨酸还原酶硒蛋白 B(glycine reductase selenoprotein B) TR1 TGR TR3 过氧化物还原酶 (peroxiredoxin,prx) 相对分子质量 硒蛋白 (Sep15) 硫氧还蛋白 (thioredoxin, Trx) 甲硫氨酸硫氧化物还原酶 1(methionine-R-sulfoxide reductase 1, 谷氧还蛋白 (glutaredoxin, Grx) MsrB1) 二硫键还原酶 α 亚基 (heterodisulfide reductase α subunit, HdrA) 硒磷酸合成酶 2(SPS2) HesB-like 蛋白 硒蛋白 P (SelP) 脯氨酸还原酶 (proline reductase PrdB) 硒蛋白 W (SelW) 脱碘酶 硒蛋白 H (SelH) 谷胱甘肽过氧化物酶 硒蛋白 I (SelI) SelW-like 硒蛋白 K (SelK) MsrA 硒蛋白 M (SelM) DsbG-like 硒蛋白 N (SelN) 铁硫氧化还原酶 (Fe-S oxidoreductase GlpC) 硒蛋白 O (SelO) DsbA-like 硒蛋白 S (SelS) DsrE-like 硒蛋白 T (SelT) AhpD-like 硒蛋白 V (SelV) 砷酸盐还原酶 (arsenate reductase) 其他硒蛋白 钼喋呤合成相关蛋白 MoeB(molybdopterin biosynthesis protein MoeB) 甲硫氨酸硫氧化物还原酶 (nethionine-s 谷胱甘肽 S 转移酶类似物 (glutathione S-transferase-like) -sulfoxide reductase, MsrA) OsmC-like 蛋白二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI) NADH 泛醌氧化还原酶 E 亚基 (NADH:ubiquinone oxidoreductase 硒蛋白 U (SelU) subunit E) 硒蛋白 J (SelJ) 硫氰酸酶相关蛋白 (rhodanase-related protein) 硒蛋白 L (SelL) UGSC 蛋白 鱼相对分子质量 硒蛋白 (Fep15) Prx-like 蛋白 Trx-fold 蛋白 Trx-like 蛋白 Grx-like 蛋白 Trx-fold 蛋白

15 962 生命科学 第 24 卷 的硒蛋白几乎都参与各种氧化还原反应, 并且 Sec 往往都是活性中心所在 6.3 硒的比较基因组学研究针对硒在不同生物中的利用与相关的进化问题, 我们开展了一系列计算与比较基因组学研究 [48,98-101], 成功揭示了硒在不同原核和真核生物中的利用特征 在原核生物中, 只有不到四分之一的测序细菌可以利用 Sec 富含硒蛋白的物种 ( 至少含 6 个以上硒蛋白 ) 主要是 δ- 变形菌纲 (Deltaproteobacteria) 和梭菌纲 (Clostridia) 其中 Syntrophobacter fumaroxidans 拥有最大的硒蛋白质组 (39 个硒蛋白 ) 不过在某个环境基因组计划中, 我们发现某种海洋寡毛纲小蠕虫 Olavius algarvensis 的寄生菌 ( 属于 Deltaproteobacteria) 可能含有至少 60 个硒蛋白 [95] 甲酸脱 氢酶 α 亚基是分布最为广泛的硒蛋白 许多硒蛋白家族存在 Sec 替代半胱氨酸的倾向 ( 即新硒蛋白的产生 ), 而半胱氨酸替代 Sec 则很少见 ( 即硒蛋白的丢失 ) 然而, 新硒蛋白的产生往往伴随该基因在近缘物种完全丢失的现象, 说明硒蛋白的产生和 [98] 消失是一个复杂的动态平衡的过程 另外, 环境因素也会对硒的利用产生影响, 如氧气的缺乏和温度的升高都有利于细菌对 Sec 的利用 真核生物的硒蛋白种类与原核生物有很大的不同, 说明该域中的大部分硒蛋白起源于真核生物祖先 与其他生物相比, 鱼类往往拥有大量的硒蛋白 ( 如斑马鱼含有 36 个硒蛋白基因 ) 最近我们在褐潮藻 (Aureococcus anophagefferens) 基因组研究工作中发现, 该物种至少含有 60 个硒蛋白 [102], 这也是迄今为止报道的最大的真核生物硒蛋白质组 真核生物中富含硒蛋白的生物主要是脊椎动物 纤毛虫 绿藻和其他一些单细胞生物 一般来说, 水生 生物具有比陆生生物更大的硒蛋白质组 [99] 在各 种真核生物硒蛋白中, 硒蛋白 K 分布最为广泛, 不过其功能尚不清楚 其他一些硒蛋白家族, 如硒蛋白 W 谷胱甘肽过氧化物酶 (GPx) 和硫氧还蛋白还原酶 (TR) 分布也很广 与原核生物相比, 真核生物硒蛋白家族中很少出现 Sec 和半胱氨酸之间的转换, 这可能与真核生物具有更复杂的硒蛋白合成 方式有关 [49,99] 7 结语和展望在这篇综述中, 我们主要讨论如何利用比较基因组学的理论和方法来研究微量元素的利用及其演 变过程 根据最近研究成果, 我们对若干微量元素 ( 铜 钼 镍 钴 锌和硒 ) 进行了介绍 这些元素在原核和真核生物中都广泛存在 通过比较基因组学的研究可以帮助我们进一步认识微量元素在不同生物中利用与代谢方式的共性和个性, 深入理解微量元素相关蛋白质组的功能及其进化演变方式 应该说这些研究工作仅仅是个开端 最近, 国外某实验室运用液相色谱仪 高通量串联质谱仪和电感耦合等离子体质谱仪等实验技术发现, 金属蛋白质组比此前所认识的要更广泛, 更多样, 还有许多未知的金属蛋白有待于进一步研究 [103] 未来, 随着越来越多的生物基因组被测序, 更有利于我们运用比较基因组学的方法对微量元素进行深入研究, 为整个微量元素研究领域开拓新的视野并提供重要的突破手段 [ 参考文献 ] [1] Mertz W. Review of the scientific basis for establishing the essentiality of trace elements. Biol Trace Elem Res, 1998, 66(1-3): [2] Goldhaber SB. Trace element risk assessment: essentiality vs. toxicity. Regul Toxicol Pharmacol, 2003, 38(2): [3] Mertz W. The essential trace elements. Science, 1981, 213(4514): [4] Foster LH, Sumar S. Selenium in health and disease: a review. Crit Rev Food Sci Nutr, 1997, 37(3): [5] Ba LA, Doering M, Burkholz T, et al. Metal trafficking: from maintaining the metal homeostasis to future drug design. Metallomics, 2009, 1(4): [6] Stadtman TC. Specific occurrence of selenium in enzymes and amino acid trnas. FASEB J, 1987, 1(5): [7] Hardison RC. Comparative genomics. PLoS Biol, 2003, 1(2): E58 [8] Shi W, Zhan C, Ignatov A, et al. Metalloproteomics: high-throughput structural and functional annotation of proteins in structural genomics. Structure, 2005, 13(10): [9] Bateman A, Birney E, Cerruti L, et al. The Pfam protein families database. Nucleic Acids Res, 2002, 30(1): [10] Hulo N, Bairoch A, Bulliard V, et al. The 20 years of PROSITE. Nucleic Acids Res, 2008, 36(Database issue): D245-9 [11] Attwood TK, Bradley P, Flower DR, et al. PRINTS and its automatic supplement, preprints. Nucleic Acids Res, 2003, 31(1): [12] Tatusov RL, Galperin MY, Natale DA, et al. The COG database: a tool for genome-scale analysis of protein functions and evolution. Nucleic Acids Res, 2000, 28(1): 33-6

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