6 期夏云等 : 两栖动物线粒体基因组 trna 基因重复丢失及其影响 823 中, 相关的研究十分少见并未在真正意义上展开. 近 10 年来, 两栖动物线粒体基因组全序列的测定得到大力拓展. 较之其他脊椎动物类群, 在两栖类中发现的 mtdna 的基因重排和 tr NA 基因的重复及丢失呈现出未

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1 应用与环境生物学报 2010,16 ( 6 ): 822~827 Chin J Appl Environ Biol=ISSN X DOI: /SP.J 两栖动物线粒体基因组 trna 基因重复丢失及其影响 * 夏云 1, 2 彭锐 1, 3 郑渝池 1** 曾晓茂 1** ( 1 中国科学院成都生物研究所成都 ) ( 2 中国科学院研究生院北京 ) ( 3 四川大学生命科学学院成都 ) 摘要在脊椎动物线粒体基因组中, 偶有 trna 基因重复或丢失事件发生, 这些事件因与相应氨基酸转运密切关联而凸显重要. 两栖类中, 这些重复或丢失相对多样, 可为相关研究提供良好素材. 为了解这些事件对氨基酸对应的密码子使用偏好是否产生影响, 本文引入统计方法, 检测 10 种两栖类 mtdna 蛋白编码基因相对的同义密码子使用度 (RSCU), 并特别设计将发生 trna 基因重复或丢失物种与其近缘群进行对比分析. 结果显示,tRNA 基因的重复对密码子使用偏好没有显著的影响, 推测可能与突变积累的时限和 mtdna 紧凑性有关. 另外,tRNA 基因丢失也未使相应氨基酸密码子使用偏好产生明显的改变. 推测在两栖类中, trna 转入和 trna 反密码子摆动位点的超级摆动可能是 trna 基因丢失的补偿方式. 表 3 参 31 关键词两栖类 ; 线粒体基因组 ; 密码子使用偏好 ;trna 基因重复 ;trna 基因丢失 CLC Q Influence of trna Gene Duplication and Loss within Amphibian Mitochondrial Genome * XIA Yun 1, 2, PENG Rui 1, 3, ZHENG Yuchi 1** & ZENG Xiaomao 1** ( 1 Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu , China) ( 2 Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing , China) ( 3 College of Life Sciences, Sichuan University, Chengdu , China) Abstract The duplication and loss of trna genes are rare to see in vertebrate mitochondrial genome(mtdna), while this phenomenon was found diversified in amphibian mtdna. In order to understand the relationship between these trna genes change and codon usage bias, the relative synonymous codon usage (RSCU) in ten amphibian mitochondrial genomes was analyzed. The results showed that there was no difference in codon usage bias when trna gene was duplicated. This could be explained by that the long time of mutation accumulation, and the compactness of mtdna prevent this change. Similarly, trna gene loss could not cause any obvious statistical change of the codon usage bias. For regular protein translation, there must be an effective functional replacement for the loss of trna genes. Two ways, that is, trna import and superwobble, cloud be the effective functional replacement for trna genes loss in amphibian mitochondrial genome. Tab 3, Ref 31 Keywords amphibian; mitochondrial genome; codon usage bias; trna gene duplication; trna gene loss CLC Q 典型的脊椎动物线粒体基因组 (mtdna) 结构紧密, 编码 13 种蛋白质和 22 个 trna. 这 13 种蛋白质分别构成电子传递链与 ATP 合成酶的部分亚基. 显然,tRNA 对这些亚基的合成有着至关重要的作用 [1]. 在脊椎动物线粒体中, 由于 trna 基因数量有限, 只为 22 个 trna 编码, 而这 22 个 trna 对应 64 种密码子, 因而除 trna-leu 和 trna-ser 外, 通常一个 trna 识别对应氨基酸的所有同义密码子. 因此, 如果线粒体基因组中发生 trna 基因重复或丢失等事件, 由于缺乏同工 trna 的调节, 其对应的氨基酸转运方式或途径可能会受到影响. 相关基因组 trna 基因重复或丢失及其影响的研究, 收稿日期 : 接受日期 : * 国家自然科学基金项目 (Nos , ) 和中国科学院知识创新工程项目 (No. KSCX2-YW-Z-0906) 资助 Supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos , ), and the Knowledge Innovation Engineering Program of the Chinese Academy of Sciences (No. KSCX2-YW-Z-0906) ** 通讯作者 Corresponding author ( zengxm@cib.ac.cn; zhengyc@ cib.ac.cn) 前人主要集中于原核生物单细胞真核生物. 在这两类生物核基因组中发现, 当 trna 基因发生重复, 与之相应的同义密码子使用频率发生明显改变, 即密码子使用偏好加强 [2~4]. 另一方面, 对单细胞真核生物 mtdna 的研究发现, 当 trna 基因发生丢失事件, 其 trna 基因对应的氨基酸翻译过程正常, 并不影响线粒体蛋白合成 [5]. 进一步推测, 机体为应对 trna 基因丢失可能产生了相应的补偿机制 (Functional replacement), 并对此提出了两个解释 :1)tRNA 转入 (trna import), 即核基因编码合成的 trna 从细胞质转入线粒体行使功能 [6~7] ;2) 超级摆动 (Superwobble), 即在 trna 反密码子的摆动位 ( 其对应密码子第 3 位 ) 有未修饰的尿嘧啶 (U) 时, 可以识别与该 trna 识别密码子前两位相同的由其他 trna 对应的密码子 [8]. 迄今为止, 线粒体基因组 trna 基因重复或丢失事件, 在脊椎动物中并不常见, 尤其是丢失事件仅发生在极少数物种中 [6, 9]. 因而, 现有的针对 trna 基因重复或丢失及影响所提出的解释, 多源自原核生物及单细胞真核生物. 而在脊椎动物

2 6 期夏云等 : 两栖动物线粒体基因组 trna 基因重复丢失及其影响 823 中, 相关的研究十分少见并未在真正意义上展开. 近 10 年来, 两栖动物线粒体基因组全序列的测定得到大力拓展. 较之其他脊椎动物类群, 在两栖类中发现的 mtdna 的基因重排和 tr NA 基因的重复及丢失呈现出未料想到的多样化, 并在其现生 3 个目中均有发现. 如 : 在无尾目叉舌蛙科 (Dicroglossidae) 发现了 trna-met 基因的重复, 涉 Fejervarya limnocharis F. cancrivora Paa spinosa 和 Limnonectes bannaensis 等多个物种 [10~13] ;L. bannaensis 的 mtdna 中,4 个 trna 基因, 即 trna-ala trna-asn trna- Cys 和 trna-glu 缺失 [10]. 又如有尾目 Plethodon elongates 的 mtdna 中检测到 trna-thr 的重复 [14]. 此外还有蚓螈目中, trna-phe 基因在 Gegeneophis ramaswamii 的 mtdna 中发生缺失 [15]. 两栖类 mtdna 中 trna 基因的重复及丢失发生率如此之高, 无疑为研究 trna 及反密码子和密码子关系提供了良好的素材, 为进一步探讨脊椎动物 mtdna 的 trna 基因的重复丢失及其影响提供了良好的研究资料. 据此, 本研究以两栖类线粒体全基因组为材料, 引入统计分析方法, 并特别设计将其发生 trna 基因重复或丢失物种与其近缘群进行对比, 分析其所对应的同义密码子使用情况, 以期探讨 :1)tRNA 基因重复事件对密码子使用偏好的影响,2)tRNA 基因丢失事件可能导致的密码子使用偏好的影响,3) 机体应对 trna 基因丢失必然产生的补偿机制. 本文还将其与原核生物单细胞真核生物加以比较, 以加深对蛋白质合成过程的理解. 1 材料与方法 1.1 数据来源从 GenBank 中下载所有两栖动物线粒体基因组全序列 ( 截至 2010 年 1 月 ), 共 82 条. 由于密码子的使用情况和 trna 的反密码子在相近物种的使用非常相似 [16], 并且本文着重探讨 trna 基因重复及丢失类群的密码子使用情况, 因此在本文中只陈列了 10 种两栖动物的线粒体基因组, 并着重分析它们的密码子使用情况. 表 1 中列出了这 10 个物种的 mtdna 的 GenBank 获取号及分类情况. 表 1 本研究中使用的 10 种两栖动物线粒体基因组信息 Table 1 The mitochondrial genome data of ten amphibian species used in this study 目 Order 物种 Species 登录号 GenBank accession Anura Xenopus laevis NC_ Limnonectes bannaensis NC_ Paa spinosa NC_ Fejervarya limnocharis NC_ Rhacophorus schlegelii NC_ Caudata Andrias davidianus NC_ Hydromantes brunus NC_ Plethodon elongatus NC_ Gymnophiona Gegeneophis ramaswamii NC_ Siphonops annulatus NC_ trna 基因定位从每一个线粒体基因组中提取其所有的 13 个蛋白编码基因和 22 个 trna 基因序列. 除了 trna-ser(agy) 基因外, 所有的 trna 基因通过使用在线软件 trna-scan SE 1.21 [17] 进行鉴别, 而 trna-ser(agy) 基因则通过对比已知的两栖类 mtdna 的位置及序列特征进行定位. 在各个 trna 基因定位的基础上, 对发生 trna 基因重复和丢失的情况进行统计. 1.3 相对同义密码子使用度计算为了反映每一个氨基酸对应各个同义密码子的使用偏好, 计算了每一个样本的所有密码子的相对同义密码子使用度 (Relative synonymous codon usage,rscu). RSCU 基于 13 个蛋白质的密码子使用情况进行计算, 其计算方法如下 [ 参 [18] 照 Sharp 等 (1987) 的计算方法 ]: xij RSCUij = n 1 i X n i j = 1 ij 公式中,x ij 是编码第 i 个氨基酸的第 j 个密码子的出现次数,n i 是编码第 i 个氨基酸的同义密码子的数量 ( 值为 1~6). 当密码子使用无偏好时,RSCU 值为 1, 大于 1 时表明密码子使用频率较高, 反之则小. RSCU 值通过软件 DAMBE [19] 和 MEGA 4.0 [20] 进行计算. 在 22 个 trna 基因中,tRNA-Leu 和 trna-ser 分别有两组不同的密码子, 即 Leu(CUN 和 UUR) 和 Ser(AGY 和 UCN). 参照其他文献对这两组 trna 基因的处理方式, 在计算 RSCU 值时, 也把这两个密码子组分别对待计算 [21]. 1.4 统计分析为了验证 trna 基因重复或丢失事件是否对其物种的密码子使用偏好发生影响, 对 trna 基因发生变化的物种其对应氨基酸同义密码子使用数目与近缘种的使用情况进行卡方检验 (Chi-square test). 将 trna 基因反密码子对应的氨基酸密码子为一组, 而其他同义密码子归为一组 ( 加和处理 ), 采用 2 2 列联表进行分析, 自由度为 1. 2 结果 2.1 trna 基因重复和丢失位点对 10 种两栖类 mtdna 的 trna 基因进行检测, 发现了文献已报道过的 trna 基因丢失和重复位点 :1)L. bannaensis P. spinosa 和 F. limnocharis, 这 3 个物种的 trna-met 基因在原有的位置上发生重复. 2)P. elongatus 包含了一个 trna-thr 基因多余的拷贝, 并且在其的控制区内发现了 trna-phe 基因额外的重复. 3)tRNA 基因丢失在 L. bannaensis 和 G. ramaswamii mtdna 序列中被检测到. 其中,L.bannaensis mtdna 丢失了 4 个 trna 基因 (trna-ala trna-asn trna-cys 和 trna- Glu), 而 G. ramaswamii mtdna 中丢失了 trna-phe 基因. 除了以上已经报道过的 trna 基因丢失和重复位点外, 本研究在 Andrias davidianus 中检测到 trna-thr 基因的多余拷贝. Zhang 等报道, 在 A. davidianus 的 mtdna 基因组序列的 ~ 碱基位置检测到 trna-thr [22], 除此位点外, 本研究还在 ~ 位置发现了 trna-thr 基因的额外拷贝, 其与已报道者仅有几个碱基的微弱差异. 2.2 两栖类密码子使用偏好每个物种线粒体各种密码子的 RSCU 值显示在表 2 中, 除终止密码子外, 通过比较所有密码子的 RSCU 值与反密码子的情况, 可以将这些密码子的使用偏好分成 3 组 : 第 1 组, 最优密码子 - 反密码子组, 其与反密码子严格匹配的密码子

3 824 应用与环境生物学报 Chin J Appl Environ Biol 16 卷表 2 两栖类线粒体基因组 13 个蛋白编码基因的相对同义密码子使用度 (RSCU) 值 Table 2 Relative synonymous codon usage (RSCU) values in 13 protein-coding genes of amphibian mitochondrial genomes 组别 Group 最优密码子 - 反密码子组 Optimal 混合密码子 - 反密码子组 Combined 非最优密码子 - 反密码子组 Non-optimal 氨基酸 AA 反密码子 AC 密码子 Codon 的 RSCU 值显著高于其他同义密码子 (P<0.05), 表明存在典型的密码子使用偏好. 包括为 Glu Lys Leu(UAA) Gln I II III IV V VI VII VIII IX X * UAG * UAA * AGG * AGA E (Glu) UUC GAG * E (Glu) UUC GAA * K (Lys) UUU AAG K (Lys) UUU AAA L (Leu) UAA UUG L (Leu) UAA UUA Q (Gln) UUG CAG Q (Gln) UUG CAA R (Arg) UCG CGU R (Arg) UCG CGG R (Arg) UCG CGC R (Arg) UCG CGA W (Trp) UCA UGG W (Trp) UCA UGA A (Ala) UGC GCU * A (Ala) UGC GCG * A (Ala) UGC GCC * A (Ala) UGC GCA * C (Cys) GCA UGU * C (Cys) GCA UGC * D (Asp) GUC GAU D (Asp) GUC GAC G (Gly) UCC GGU G (Gly) UCC GGG G (Gly) UCC GGC G (Gly) UCC GGA H (His) GUG CAU H (His) GUG CAC L (Leu) UAG CUU L (Leu) UAG CUG L (Leu) UAG CUC L (Leu) UAG CUA N (Asn) GUU AAU * N (Asn) GUU AAC * P (Pro) UGG CCU P (Pro) UGG CCG P (Pro) UGG CCC P (Pro) UGG CCA S (Ser) GCU AGC S (Ser) GCU AGU S (Ser) UGA UCU S (Ser) UGA UCG S (Ser) UGA UCC S (Ser) UGA UCA T (Thr) UGU ACU T (Thr) UGU ACG T (Thr) UGU ACC T (Thr) UGU ACA V (Val) UAC GUU V (Val) UAC GUG V (Val) UAC GUC V (Val) UAC GUA Y (Tyr) GUA UAU Y (Tyr) GUA UAC F (Phe) GAA UUU * 1.32 F (Phe) GAA UUC * 0.68 I (Ile) GAU AUU I (Ile) GAU AUC M (Met) CAU AUG M (Met) CAU AUA 表中斜体的密码子表示与反密码子相匹配 ; 带 * 号的数值为 trna 基因丢失对应氨基酸的 RSCU 值 Italic codon means it matches to AC (anti-codon); * : RSCU value of trna gene loss. I: X. laevis; II: L. bannaensis; III: P. spinosa; IV: F. limnocharis; V: R. schlegelii; VI: A. davidianus; VII: H. brunus; VIII: P. elongatus; IX: G. ramaswamii; X: S. annulatus Arg 和 Trp 等氨基酸编码的密码子. 第 2 组, 混合密码子 - 反密码子组, 其与反密码子严格匹配的密码子的 RSCU 值与某些

4 6 期夏云等 : 两栖动物线粒体基因组 trna 基因重复丢失及其影响 825 同义密码子相当, 表明存在密码子使用偏好差异. 大多数的密码子都属于这种情况. 第 3 个组, 非最优密码子 - 反密码子组, 其与反密码子严格匹配的密码子的 RSCU 值显著低于其他同义密码子 (P<0.05), 表明其密码子使用偏好与典型偏好相反. 如, 甲硫氨酸有两种同义密码子 AUG 和 AUA. 其中与反密码子相匹配的密码子 AUG, 也担负着蛋白质起始密码子的作用, 但是其 RSCU 值小于 AUA 的使用. 本组包括为 Phe Ile 和 Met 等氨基酸编码的密码子. 2.3 trna 基因重复或丢失与密码子使用偏好关系据卡方分析, 在 trna 基因发生重复的物种中, 没有发现相应的密码子使用偏好的变化 ( 表 3). 如 : 在 L. bannaensis P. spinosa 和 F. limnocharis 中发生了 trna-met 基因重复,L. bannaensis P. spinosa 和 F. limnocharis 较之无尾目其它类群 R. schlegelii, 其甲硫氨酸密码子的使用数目基本一致, 即密码子使用偏好未发生显著变化 (P>0.05). 在 A. davidianus 和 P. elongatus 中出现的 trna-thr 和 trna-phe 的重复, 其密码子使用情况与相近物种也相似 ( 表 3). L. bannaensis 丢失 4 个 trna 基因, 将其对应的氨基酸同义密码子的 RSCU 值与其近缘类群叉舌蛙科的物种 P. spinosa 和 F. limnocharis 相比较没有显著变化. 作为示例, 表 3 中列出了 L. bannaensis 和 P. spinosa 的 trna-ala 对应氨基酸使用数目卡方检验结果,P 值均大于讨论 3.1 trna 基因重复事件对密码子使用偏好的影响在大肠杆菌 ( E s c h e r i c h i a c o l i) 和酿酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae) 的相关研究中,tRNA 基因的数量与密码子的使用情况之间有着紧密联系, 即 trna 基因数量的变化将引起密码子的使用偏好加强 [2~3]. 与原核单细胞真核生物不同, 本研究发现,3 个涉 trna 基因重复事件的两栖类 mtdna 案例中, 它们的密码子使用与相近物种间并没有呈现出明显差异, 即密码子使用偏好加强现象不显著. 究其原因, 我们有以下推测 : 首先, 在这两类生物中,tRNA 基因重复事件发生所属基因组不同可能导致这种差异. 大肠杆菌和酵母 trna 基因重复事件发生在核基因组中 [23], 本文研究的两栖类则是线粒体基因组. 大肠杆菌和酵母中, 因未有 mtdna 因核基因组 trna 基因重复而发生密码子的使用偏好改变的案例, 我们认为其核基因组自身发生的基因重复所造成的影响, 可能是由其自身通过调整密码子的使用偏好方式而进行协调, 因此有密码子的使用偏好加强现象. 而发生于两栖类 mtdna 的基因重复之影响, 除由 mtdna 自身来承担外, 还由其核基因组进行协调, 故而在 mtdna 中有密码子使用偏好加强不明显现象. 其次, 两栖类中线粒体基因组中,tRNA 基因数目的变化实际上已经使密码子使用偏好发生了一些改变, 但这些改变的程度还未达到经统计分析可检测的量度, 这或许需要经历一个长的进化过程. 换言之, 蛋白编码基因的密码子突变需要积累一定量才能出现统计意义上的差异, 而积累这些突变需要较长的时间. 事实上, 据 Igawa 等 (2008) 对这些两栖类相近种之间分化时间的分析, 这一分化时间估算值在几个到几十个百万年之间, 而 trna 基因重复事件被认为发生在分化时间之后 [24~25]. 重复事件发生仅几个百万年之间, 而密码子使用偏好变化才滞后逐渐积累, 故这一时间更为短暂, 其积累的变量不足以达到可检测的水平. 除此之外, 就脊椎动物而言, 在密码子使用发生变化的过程中,tRNA 基因的重复与线粒体基因组紧凑性是相悖的. 多余的拷贝将会在以后的演化中随着选择压而逐渐丧失直至完全丢失, 而这种因部分丧失演变为假基因或完全丢失的现象已在一些两栖类 mtdna 中发现 [26]. 因此, 我们推测在两栖类 mtdna 中, 虽然 trna 基因发生重复,tRNA 基因数目改变可能引起了密码子使用偏好的一定改变, 但是这种改变将会因上述基因随机丢失机制而停止. 3.2 trna 基因丢失事件对密码子使用偏好的影响 trna 基因丢失在单细胞真核生物线粒体基因组的进化中发生较为平常, 然而在脊椎动物中却鲜有发现, 见于平胸龟 (Platysternon megacephalum) 和有袋类 (marsupials) 中几个物种 [9, 27]. 本研究中, 两栖类线粒体基因组 ( 表 3)tRNA 基因发生丢失的物种其密码子使用偏好未发生显著变化, 这似乎表明线粒体 trna 基因丢失事件对线粒体自身编码蛋白质的翻译没有影响. 与此现象相关的解释, 我们认为可以通过分析密码子使用偏好的影响因素和线粒体蛋白翻译的半自主性及密码子第三位的摆动性来进行. 前人的研究表明, 密码子使用偏好可能与以下因素有关 :1)tRNA 的丰度 ;2) 翻译选择 [16, 28]. 据此, 我们推测, 一方面, 如果 trna 基因的丢失可能对 trna 的丰度和翻译选择都将产生重要影响, 则前者表现为丰度降低, 后者翻译选择减弱 [4], 从而更新密码子使用偏好, 使其加强减弱或调整 ; 另一方面, 由于线粒体蛋白翻译的半自主性, 核基因组也有可能对丢失带来的影响进行补偿. 此外, 密码子第 3 位的摆动配对也将对这种影响进行补偿. 根据本文对两栖类线粒体基因组的分析, 密码子使用偏好并无显著变化, 这与 trna 基因的丢失可能带来的结果相表 3 trna 基因发生变化物种与近缘种对应氨基酸密码子使用数目卡方分析 Table 3 Chi-square test of codon usage between the species with changed trna gene and their closely related species 参数 Met Thr Ala Parameter 物种 Species AUA AUG 物种 Species ACA ACN 物种 Species GCA GCN 实测值 A C E Measured value B D F 期望值 A C E Expected value B D F 卡方 Chi-square P Species A: F. limnocharis; B: R. nigromaculata; C: A. davidianus; D: A. japonicus; E: L. bannaensis; F: P. spinosa

5 826 应用与环境生物学报 Chin J Appl Environ Biol 16 卷矛盾. 由此认为, 存在有效的补偿机制弥补了因 trna 基因丢失而引起的损失, 并且这种补偿机制不会引起密码子使用偏好的改变. 3.3 trna 基因丢失及其补偿机制单细胞真核生物线粒体基因组中, 如果 trna 基因丢失, 为了保障线粒体中氧化磷酸化酶的关键亚基的蛋白合成的正常进行, 必然存在某种有效的方式补偿这种丢失带来的相应氨基酸的转运问题. 相应的补偿机制已有两种解释, trna 转入和超级摆动 trna [29~30] 是目前较为普遍认可的, 但在两栖类中却无系统探讨. 目前,tRNA 转入被广泛解释为相关补偿机制的主要途径. 从单细胞真核生物到脊椎动物, 核基因组合成的 trna 转入线粒体中, 用于补偿线粒体自身基因组因 trna 基因丢失的蛋白翻译 [29, 31]. 例如在真菌 Spizellomyces punctatus 线粒体基因组中, 只有 8 种 trna 基因被检测到, 而缺失的 trna 基因通过 trna 转入来补偿 [7]. 在脊椎动物, 仅有袋类动物中, 有证据显示核基因编码的 trna 进入线粒体参与蛋白合成, trna-lys 转运到线粒体中参与了翻译过程 [6]. 本文中, 两栖类 mtdna 两例 trna 基因丢失也可能由 trna 转入补偿来弥补. 超级摆动 trna 模式是基于如果 trna 反密码子的摆动位点 ( 即密码子第 3 位 ) 存在一个未修饰的尿嘧啶, 则其能识别 4 种核苷酸, 使得其识别能力超越其同义密码范畴, 其摆动性将大大提高 [8]. 因此, 一但 trna 丢失, 则可以由这种超级摆动来达到补偿的目的. 就本研究中两栖类的 trna 基因丢失情况而言 :1)tRNA-Ala 和 trna- Phe 丢失. 二者均含有 4 种同义密码子, 由于它们的第 1 2 位密码子不能与其它任一种 trna 相匹配, 其丢失不会通过其他 trna 摆动来实现. 2)tRNA-Glu 丢失. 由于其第 1 2 位密码子可与天冬氨酸 (Asp) 相匹配, 然而天冬氨酸的摆动位点不是尿嘧啶, 所以其补偿不太可能由超级摆动来实现. 3)tRNA- Asn 和 trna-cys 丢失. 它们的第 1 2 位密码子可分别与赖氨酸 (Lys) 和色氨酸 (Trp) 相匹配, 而赖氨酸和色氨酸的反密码子摆动位点为尿嘧啶, 因此可由超级摆动来补偿 trna- Asn 和 trna-cys 的丢失. 综上,tRNA 转入和超级摆动 trna 模式均可以对两栖类线粒体基因组自身 trna 基因丢失进行解释, 或许 trna 转入是主要补偿方式, 但直接证据尚需进一步的实验验证. References 1 Boore JL. Animal mitochondrial genomes. Nucl Acids Res, 1999, 27 (8): 1767~ Duret L. trna gene number and codon usage in the c-elegans genome are co-adapted for optimal translation of highly expressed genes. Trends Genet, 2000, 16 (7): 287~289 3 Higgs PG, Ran WQ. Coevolution of codon usage and trna genes leads to alternative stable states of biased codon usage. Mol Biol Evol, 2008, 25 (11): 2279~ Rocha EPC. Codon usage bias from trna s point of view: Redundancy, specialization, and efficient decoding for translation optimization. Genome Res, 2004, 14 (11): 2279~ Adams KL, Palmer JD. Evolution of mitochondrial gene content: Gene loss and transfer to the nucleus. Mol Phylogenet Evol, 2003, 29 (3): 380~395 6 Dorner M, Altmann M, Paabo S, Morl M. Evidence for import of a lysyl-trna into marsupial mitochondria. Mol Biol Cell, 2001, 12 (9): 2688~ Salinas T, Duchene AM, Marechal-Drouard L. Recent advances in trna mitochondrial import. Trends Biochem Sci, 2008, 33 (7): 320~ Rogalski M, Karcher D, Bock R. Superwobbling facilitates translation with reduced trna sets. Nat Struct Mol Biol, 2008, 15 (2): 192~198 9 Peng QL, Nie LW, Pu YG. Complete mitochondrial genome of Chinese big-headed turtle, platysternon megacephalum, with a novel gene organization in vertebrate mtdna. Gene, 2006, 380 (1): 14~20 10 Zhang JF, Nie LW, Wang Y, Hu LL. The complete mitochondrial genome of the large-headed frog, limnonectes bannaensis (amphibia: Anura), and a novel gene organization in the vertebrate mtdna. Gene, 2009, 442 (1~2): 119~ Ren ZM, Zhu B, Ma EB, Wen J, Tu TY, Cao Y, Hasegawa M, Zhong Y. Complete nucleotide sequence and gene arrangement of the mitochondrial genome of the crab-eating frog fejervarya cancrivora and evolutionary implications. Gene, 2009, 441 (1~2): 148~ Zhou Y, Zhang JY, Zheng RQ, Yu BG, Yang G. Complete nucleotide sequence and gene organization of the mitochondrial genome of Paa spinosa (anura: Ranoidae). Gene, 2009, 447 (2): 86~96 13 Macey JR, Larson A, Ananjeva NB, Fang ZL, Papenfuss TJ. Two novel gene orders and the role of light-strand replication in rearrangement of the vertebrate mitochondrial genome. Mol Biol Evol, 1997, 14 (1): 91~ Mueller RL, Macey JR, Jaekel M, Wake DB, Boore JL. Morphological homoplasy, life history evolution, and historical biogeography of plethodontid salamanders inferred from complete mitochondrial genomes. Proc Natl Acad Sci USA, 2004, 101 (38): 13820~ San Mauro D, Gower DJ, Oommen OV, Wilkinson M, Zardoya R. Phylogeny of caecilian amphibians (gymnophiona) based on complete mitochondrial genomes and nuclear RAG1. Mol Phylogenet Evol, 2004, 33 (2): 413~ Xia XH. Mutation and selection on the anticodon of trna genes in vertebrate mitochondrial genomes. Gene, 2005, 345 (1): 13~20 17 Lowe T, Eddy S. Trnascan-se: A program for improved detection of transfer RNA genes in genomic sequence. Nucl Acids Res, 1997, 25 (5): 955~ Sharp PM, Li WH. The codon adaptation index-a measure of directional synonymous codon usage bias, and its potential applications Nucl Acids Res, 1987, 15 (3): 1281~ Xia X, Xie Z. Dambe: Software package for data analysis in molecular biology and evolution. J Hered, 2001, 92 (4): 371~ Tamura K, Dudley J, Nei M, Kumar S. Mega4: Molecular evolutionary genetics analysis (mega) software version 4.0. Mol Biol Evol, 2007, 24 (8): 1596~ Kamatani T, Yamamoto T. Comparison of codon usage and trnas in mitochondrial genomes of candida species. Biosystems, 2007, 90: 362~370

6 6 期夏云等 : 两栖动物线粒体基因组 trna 基因重复丢失及其影响 Zhang P, Chen YQ, Liu Y F, Zhou H, Qu LH. The complete mitochondrial genome of the Chinese giant salamander, Andrias davidianus (amphibia: Caudata). Gene, 2003, 311: 93~98 23 Tarassov I, Kamenski P, Kolesnikova O, Karicheva O, Martin RP, Krasheninnikov IA, Entelis N. Import of nuclear DNA-encoded RNAs into mitochondria and mitochondrial translation. Cell Cycle, 2007, 6: 2473~ Voituron Y, Barre H, Ramlov H, Douady CJ. Freeze tolerance evolution among anurans: Frequency and timing of appearance. Cryobiology, 2009, 58 (3): 241~ Igawa T, Kurabayashi A, Usuki C, Fujii T, Sumida M. Complete mitochondrial genomes of three neobatrachian anurans: A case study of divergence time estimation using different data and calibration settings. Gene, 2008, 407 (1~2): 116~ Mueller R L, Boore J L. Molecular mechanisms of extensive mitochondrial gene rearrangement in plethodontid salamanders. Mol Biol Evol, 2005, 22 (10): 2104~ Janke A, Xu XF, Arnason U. The complete mitochondrial genome of the wallaroo (macropus robustus) and the phylogenetic relationship among monotremata, marsupialia, and eutheria. Proc Natl Acad Sci USA, 1997, 94 (4): 1276~ Jia WL, Higgs PG. Codon usage in mitochondrial genomes: Distinguishing context-dependent mutation from translational selection. Mol Biol Evol, 2008, 25 (2): 339~ Duchene AM, Pujol C, Marechal-Drouard L. Import of trnas and aminoacyl-trna synthetases into mitochondria. Curr Genet, 2009, 55 (1): 1~18 30 Vernon D, Gutell RR, Cannone JJ, Rumpf RW, Birky CW. Accelerated evolution of functional plastid rrna and elongation factor genes due to reduced protein synthetic load after the loss of photosynthesis in the chlorophyte alga polytoma. Mol Biol Evol, 2001, 18 (9): 1810~ Schneider A, Marechal-Drouard L. Mitochondrial trna import: Are there distinct mechanisms? Trends Cell Biol, 2000, 10 (12): 509~513

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tbjx0121ZW.PDF 1 a a b a (9+2 b - ) a c - 9 2 ( ( ) a 90 ) ( ( ) b - ) 10 (9+2 ) a b - ( ) a c - 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) () ( ) ( ) ( ) ( 1 2 ) ( ) ( 3 () 0.3mm 2 ( ) 2 10 ( ) ( ) ( ) 2 10 ( )