12 : -trna trna (aminoacyl-trna synthetase, aars) trna, aars trna, aars, aars trna RNA [1, 2] DNA(mtDNA),, 98%, [3],, [4],, [5] 2 aars, aars, aa

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1 HEREDITAS (Beijing) , 31(12): ISSN 研究报告 DOI: /SP.J 家蚕氨酰 -trna 合成酶基因分析 1, 曹广力 2 1,, 薛仁宇 2, 朱越雄 1, 魏育红 1 1, 2, 贡成良 1. 苏州大学医学部, 苏州 ; 2. 苏州大学现代丝绸国家工程实验室, 苏州 为了探讨家蚕氨酰 -trna 合成酶 (BmaaRS) 基因的数目 种类 结构及起源, 利用家蚕基因组数据和 EST 数据进行了 BmaaRS 基因的电子克隆, 结果表明, 家蚕核基因组中含有 2 套不同的 aars 核基因, 分别编码线粒 体和细胞质 BmaaRS, 但编码线粒体 BmSerRS 的基因有 2 个, 可能缺少编码细胞质的 BmHisRS 基因和编码线粒 体的 BmGlnRS BmLysRS BmGlyRS 和 BmThrRS 基因, 这些基因的功能可能由具有相似功能的其他蛋白完成, 或 通过某个 BmaaRS 基因的可变剪接分别形成不同功能的 BmaaRS EST 证据表明, BmaaRS 基因存在不同形式的 可变剪接 ; BmaaRS 氨基酸序列的相似性及二 三级结构分析表明部分 BmaaRS 存在结构域的扩增, 有些不同的 BmaaRS 具有相同结构域, 相同功能的 BmaaRS 具有相似的三级结构 ; 进化分析表明, BmaaRS 为 2 套不同来源 的 BmaaRS 基因编码, 细胞质和线粒体 BmaaRS 的起源不同 家蚕 ; 氨酰 -trna 合成酶 ; 核基因 ; 线粒体 ; 电子克隆 Analysis of the aminoacyl-trna synthetase genes of silkworm (Bombyx mori) CAO Guang-Li 1, 2, XUE Ren-Yu 1, 2, ZHU Yue-Xiong 1, WEI Yu-Hong 1, GONG Cheng-Liang 1, 2 1. Medical College of Soochow University, Suzhou , China; 2. National Engineering Laboratory for Modern Silk Soochow University, Suzhou , China Abstract: For further research on number, type, composition and origin of Bombyx mori aminoacyl-trna synthetase (BmaaRS) genes, in silico cloning was performed with Bombyx mori genomic and EST databases. There might be two different sets of aars nuclear gene in Bombxy nori genome, which encode mitochondrial BmaaRS and cytoplasmic BmaaRS, respectively. Among BmaaRS genes, there were 2 genes encoding mitochondrial BmSerRS, but no genes encoding cytoplasmic BmHisRS and mitochondrial BmGlnRS, BmLysRS, BmGlyRS, and BmThrRS. The functions of these absent genes could be directly replaced by other proteins with similar functions, or might undergo their distinct BmaaRS functions based on the alternative splice of one certain BmaaRS mrna. Evidence of EST indicated that BmaaRS performed different alternative splicing patterns. The homology comparison and advanced structural analysis of BmaaRS demonstrated the existence of extended domains of BmaaRS. This is because some different BmaaRSs contained similar domain. Moreover, BmaaRSs with similar functions possessed the similar tertiary structure. Phylogenetic analysis revealed that BmaaRS encoded by two various sources of BmaaRS genes. Mitochondrial and cytoplasmic BmaaRS had different origin. Keywords: Bombyxmori; aminoacyl-trna synthetase (aars); nuclear gene; mitochondrial; in silico cloning 收稿日期 : ; 修回日期 : 基金项目 : (863 ) ( 2006AA10A118) ( ) 作者简介 : (1964 ),,, Tel: ; guanglicao@hotmail.com 通讯作者 : (1965 ),,, Tel: ; chlgong@hotmail.com

2 12 : -trna trna (aminoacyl-trna synthetase, aars) trna, aars trna, aars, aars trna RNA [1, 2] DNA(mtDNA),, 98%, [3],, [4],, [5] 2 aars, aars, aars, aars [6] aars ATP, aars ( ), aars RS [7] aars trna,,, trna, GlnRS, GluRS,, AsnRS AspRS [8,9], aars α-, [10] (Bombyx mori) (Lepidoptera), -trna (BmaaRS) [11, 12],, aars,, BmaaRS, BmaaRS, BmaaRS, BmaaRS aars EST NCBI(National Center for Biotechnology Information) ( 电子克隆 (Drosophila melanogaste), (Tribolium castaneum), (Anopheles gambiae), (Aedes aegypti), (Culex pipiens quinquefasciatus), (Acyrthosiphon pisum), (Nasonia vitripennis) aars aars, aars, NCBI ( tblastn wgs(whole-genome shotgun reads) BmaaRS, (GT-AG ), 5 3 (5 TATA CAAT, 3 AATAAA) EST, BmaaRS cdna, 生物信息学分析 ( dtu.dk/services/signalp/) ; Swiss-model ( expasy.org) [13],,, ; NCBI CD-search 进化分析 -trna, (Homo sapiens) aars E.coli K12 aars (Arachnida) (Ixodes scapularis) aars, NCBI, NCBI aars,

3 1250 HEREDITAS (Beijing) aars DNAStar Editseq Bioedit Alignment ClustalW Multiple Alignment, MEGA3 Neighbor-Joining(NJ), Minimum Evolution, Maximum Parsimony, UPGMA ValRS GlnRS/Glu-ProRS/GluRS NCBI BlastP, ( ) aars aars BmaaRS cdna 1 (, ORF, cdna ) BmaaRS GenBank, BmAlaRS-1 (GenBank : NP_ ), BmLysRS (GenBank : NP_ ),, :, BmaaRS,, BmaaRS cdna EST, BmAspRS-1, BmGlnRS-2, BmTyrRS-1 BmProRS-2, BmaaRS EST, 1, BmaaRS, BmaaRS, EST, ValRS BAAB ( ), BABH ( , ) BmaaRS 2.2 BmaaRS, BmaaRS 2, 1 (BmaaRS-1), 1 (BmaaRS-2),, BmGlnRS BmLysRS BmGlyRS BmHisRS BmThrRS 1 ; BmGluRS-1 BmProRS, trna (bifunctional aminoacyl-trna synthetase, glutamyl-prolyl-trna synthetase) (BmGlu-ProRS) ; BmPheRS BmSerRS 3 BmPheRS, BmPheRS-1 α (BmPheRS-1α) β (BmPheRS-1β),, BmPheRS-1β 1 ; E. coli, BmGlyRS α β (Bombyx mandarina) (Lepidoptera) (Bombycidae), mtdna 7, 表 1 电子克隆氨酰 -trna 合成酶基因序列来源 BmAlaRS-1 BABH ) BmAlaRS-2 ORF ( ) AADK ( , , , , ), BABH ( , , , ) BmArgRS-1 BABH ( ) BmArgRS-2 BABH ( , ) BmAsnRS-1 BABH ( , , , , , ), BABH ( , , , ) BmAsnRS-2 BABH ( , , ) AADK ( , , ), BABH ( , ), BmAspRS-1 AADK ( , ), BABH ( , )+ EST: CK ( ) + BABH (1 78, ), BABH ( , ) BmAspRS-2 AADK ( ) BABH ( , ), BABH ( , , , ), BmCysRS-1 BABH ( , , , ), AADK ( ) BmCysRS-2 AADK ( ) BABH ( , , , , , , BmGlnRS ), AADK ( )+ BABH (1 23, , , , )

4 12 : -trna 1251 ORF ( ) ( 续表 1) BABH ( , , , , , , , , , , , ), BmGlu-ProRS BABH ( ), BABH ( , , , , , , , , , , , , , , ) BmGluRS-2 BABH ( , , , , , ) BmGlyRS-1 BABH ( ) BmGlyRS-2 BmHisRS-1 DNA polymerase accessory subunit BABH ( , , , , , ) eukaryotic translation initiation factor 2-alpha kinase BABH ( ), BABH ( , ) BmHisRS-2 BABH ( , ), EST: AU ( ), BABH ( , , , , ) BmIleRS-1 BABH ( , , , ) BmIleRS-2 AADK ( , , , , , , , , , ), BABH ( , ) BmLeuRS-1 BABH ( , , , , , ) BmLeuRS-2 BmLysRS-1 BmLysRS-2 BmMetRS-1 BmMetRS-2 BmPheRS-1α BABH ( ), BAAB ( ), AADK ( , , , , ), BAAB ( , ), BABH ( , , ) BABH ( , , , , , , , ) BABH ( , , , , , , , ) BABH ( , , , , , , , ), BABH ( ), BABH ( , , , , , , ), BABH ( , , , , , , , ) BABH ( , , , ), BABH ( , , , ), BABH (90 262, , ) BABH (79 594), AADK ( , , ), BABH ( , ) BmPheRS-1β BABH ( , , ), BABH ( , , , , , , ), BABH ( , ) BmPheRS-2 BABH ( , , ) BmProRS-1 BmProRS-2 glutamyl-prolyl trna synthetase, bifunctional aminoacyl trna synthetase BABH ( , , , , , , ), BABH ( ) BmSerRS-1 BABH ( , , , , , , , ) BmSerRS-2a BABH ( ) BmSerRS-2b BABH ( ), EST: CK ( )+ BABH (1 179, , ) BmThrRS-1 BmThrRS-2 BABH ( , , , , , , , ), AADK ( , , , , , ) mitochondrial ribosomal protein L39 AADK ( , , ), BABH ( , , , ) BmTrpRS-1 BABH ( ), BABH ( , , , , , , ) BmTrpRS-2 AADK ( , , , , , ) BmTyrRS-1 BABH ( )+ AADK ( ) BmTyrRS-2 BmValRS-1 BABH ( , , , , , , , ) BABH ( , , , , , , ), BABH ( , , , , , , , , , , ) BmValRS-2 BABH ( , , , )

5 1252 HEREDITAS (Beijing) trna Leu 2 trna Ser, trna 1 2 trna Leu, 1 BmLeuRS-2, 1 BmLeuRS 2 trna Leu 2 trna Ser, 2 BmSerRS (BmSerRS-2a, BmSerRS-2b), BmSerRS trna Ser 2.3 BmaaRS EST, BmaaRS, BmaaRS BmaaRS, BmLysRS BmHisRS ;, BmaaRS BmaaRS 5, 3 : (1) BmGluRS-1 BmHisRS BmTrpRS-2 BmHisRS 2α ; (2) BmTyrRS-1, 5, ORF ; (3) BmGluRS-1 BmHisRS BmTrpRS-2, BmGluRS-1, 5 N ; (4) BmAspRS-1 1, 2, BmAspRS-1 ; (5) BmaaRS 3' BmAsnRS-1 3, BmGluRS-1 EST, BmaaRS, BmTrpRS-2, 2 cdna 3 BmaaRS, BmaaRS 2.4 BmaaRS aars, BmaaRS BmMetRS-1 C 2 (24 ORF 22, 23 ), 2 (BABH : , , ORF ) cgttctc, (Identity) 96.8% (375 bp 12 bp ), EST 2 mrna ; C 2 HLH (helixloop-helix) 3,, 2.5 BmaaRS Swiss-model BmaaRS, BmAsnRS-1 BmAspRS-2 BmGluRS-2 BmHisRS-1 BmHisRS-2 BmLeuRS-2 BmThrRS-2 BmTrpRS-1 BmTrpRS-2 BmTyrRS-1 BmTyrRS-2 BmValRS-1 BmaaRS 1 BmaaRS, BmSerRS-1 BmSerRS-2a BmSerRS-2b, BmaaRS BmaaRS, DNA polymerase accessory subunit (BmGlyRS-2) BmGlyRS-1, L39 (BmThrRS-2) BmThrRS-1 BmHisRS-2, aa,, BmThrRS-2 79~132 aa( 1wwtA ) 209~266 aa( 1nyqB ) BmGlu-ProRS GluRS ProRS BmaaRS CD-search BmaaRS, BmaaRS 的 2

6 12 : -trna 1253 图 1 BmaaRS 三级结构预测

7 1254 HEREDITAS (Beijing) , aars, BmaaRS HIGH KMSKS Rossmann, BmaaRS α β [14] 属 BmaaRS, BmGlu-ProRS, BmaaRS BmaaRS, BmHisRS-2, OB- (pfam01336), G H P S T (pfam00587), D K N (cd04320), BmaaRS 2.7 BmaaRS aars BmGluRS BmGlu-ProRS BmProRS BmGlu-ProRS, BmGlu-ProRS BmGluRS BmProRS ( ),, aars 1 ( LysRS ) (1) AlaRS-2, AlaRS, AlaRS AlaRS [15] ; (2) aars aars,,, (Pediculus humanus corporis) AlaRS-2, GluRS-2, ValRS-2, aars ; (3) E.coli aars, GlyRS ValRS E. coli aars E. coli aars aars,, E. coli aars aars, aars, aars aars ; (4) PheRS, PheRS α P h e R S 表 2 BmaaRS 结构域 Ⅰ BmaaRS CDD Ⅱ BmaaRS CDD BmArgRS-1 cd00671; pfam05746; pfam03485; PRK01611 BmAlaRS-1 cd00673; pfam07973; pfam02272 BmArgRS-2 cl00015; pfam05746 BmAlaRS-2 cd00673; PRK00252 BmCysRS-1 cd00672; cl00015; COG0215 BmAsnRS-1 cd0077; cd04323; COG0017 BmCysRS-2 cd00672; cl00015; COG0215 BmAsnRS-2 cd00776; cd04318; PRK03932 BmGlnRS-1 cd00807; pfam03950; pfam04558; PRK05347 BmAspRS-1 cd00776; cd04320; PRK05159 BmGlu-ProRS cd00778; cd00807; cd00862; cl00015; cd00936; BmAspRS-2 cl00268; cd04317; PRK00476 pfam03950; cl00349; cl02776; PRK08661; pfam00749 BmGlyRS-1 cd00774; cd00858; cd00935; cl00268; COG0423 BmGluRS-2 cd00808; PRK01406 BmGlyRS-2 cl00266 BmIleRS-1 cd00818; pfam08264; PRK06039 BmHisRS-1 cl09925 BmIleRS-2 cl00015; pfam08264; PRK05743 BmHisRS-2 cd00773; cd00859; COG0124 BmLeuRS-1 cd00812; cl00015; PRK00390 BmLysRS-1 cd00775; cd04322; COG1190 BmLeuRS-2 cd00812; cl00015; pfam08264; PRK12300 BmLysRS-2 cd00775; cd04322; COG1190 BmMetRS-1 cd00814; cd00939; cd00299; cl00349; PRK12268 BmPheRS-1α cd00496; PRK04172 BmMetRS-2 cd00814; PRK11893 BmPheRS-1β cd00769; cl01340; pfam03484; PRK09616 BmTrpRS-1 cd00806 BmPheRS-2 cd00496; pfam03147 BmTrpRS-2 cd00806; PRK12282 BmGlu-ProRS cd00778; cd00807; cd00862; cl00015; cd00936; BmTyrRS-1 cd00805; cd02799 pfam03950; cl00349; cl02776; PRK08661; pfam00749 BmTyrRS-2 cd00805; PRK05912 BmProRS-2 cl00268; PRK09194 BmValRS-1 cd00817; cl00015; pfam08264; PRK05729 BmSerRS-1 cd00770; pfam02403; PRK05431 BmValRS-2 cd00817; cl00015; pfam08264; PRK05729 BmSerRS-2a cl00268; pfam02403; COG0172 BmSerRS-2b cl00268 BmThrRS-1 cd00771; cd00860; cd01667; pfam07973; PRK00413 BmThrRS-2 cd01667; PRK00413 CDD: Conserved domain database,

8 12 : -trna 1255 图 2 ValRS 的聚类分析 GenBank, PheRS ; (5) SerRS, SerRS 2, 2 SerRS ; (6) aars, aars, aars, aars,, aars [16], trna (ValRS), ValRS ValRS [17], ( ) ValRS, ValRS NJ 2, (Caenorhabditis elegans) vrs-1 (GenBank : NP_505070) vrs-2 (GenBank : NP_493377), ValRS 2,,, (Danio rerio, GenBank : XP_686760) (Mus musculus, GenBank : NP_780346) (GenBank : NP_065175) 1, (GenBank : NP_648268) BmValRS-2, (Saccharomyces cerevisiae) ValRS (GenBank : NP_011608) ValRS,, α- (Methylobacterium nodulans, GenBank : ACL61266) γ- (Escherichia coli, GenBank : NP_418679) ValRS, ValRS ValRS, [10], BmValRS ValRS, aars 2 GlnRS GluRS, GlnRS(BmGlnRS-1) aars BmGlu-ProRS GluRS (BmGluRS-2), BmGluRS-2 BmGlnRS BmGluRS, [18] ( ) GluRS(Glu-ProRS) GlnRS, BmGlnRS BmGlu-ProRS

9 1256 HEREDITAS (Beijing) GlnRS, NJ 3 (GenBank : XP_956785), GluRS, GluRS, α- (Alphaproteobacteria) β- (Betapro- teobacteria) γ- (Gammaproteobacteria) δ- (Deltaproteobacteria) ε- (Epsilonproteobacteria) GlnRS GluRS, GlnRS GluRS 2, Glu-ProRS 1, GlnRS GlnRS, GluRS 3 aars, -trna, aars aars,, BmaaRS, BmaaRS 图 3 GlnRS/GluRS 的聚类分析 GenBank

10 12 : -trna 1257, EST ( ) LysRS, BmLysRS 2 cdna, BmLysRS aars,,, BmaaRS : (1) BmGlnRS BmGluRS 1,, GlnRS GluRS [18] ; (2) 1 2, 2 BmaaRS EST BmLysRS 5, LysRS [19] EST BmHisRS, [20], 1 BmHisRS ; (3) BmaaRS DNA polymerase accessory subunit, BmGlyRS-2 ; (4) BmaaRS EST BmHisRS, [20], 1 BmHisRS, HisRS 2α, BmHisRS-1 BmThrRS, BmThrRS, BmThrRS L39 GlnRS GluRS, GluRS -trna (Non-discriminating glutamyl-trna synthetase, GluRSnd), Gln-tRNA Gln, trnagln Glu-tRNA Gln, Glu-tRNA Gln,, Gln-tRNA Gln BmGluRS-2, BmGlnRS-2 NCBI blastn, GluRS, BmGluRS-2 GluRS, GluRS, BmGluRS-2 GlnRS, BmGluRS-2 GlnRS GlnRS GluRS, GlnRS GluRS, GluRS GluRS, GluRS aars, AsnRS AspRS [21], GlnRS GluRS, [22, 23] GlnRS GluRS,,, ValRS aars 2 aars [24], LeuRS, [25] aars aars,,,,, aars trna, aars aars, aars, aars, [26] BmaaRS, aars, 参考文献 (References): [1] Martinis SA, Plateau P, Cavarelli J, Florentz C. Aminoacyl-tRNA synthetases: a family of expanding functions. EMBO J, 1999, 18(17): [DOI] [2],. trna., 2004, 31(4):

11 1258 HEREDITAS (Beijing) [3] Andreoli C, Prokisch H, Hörtnagel K, Mueller JC, Münsterkötter M, Scharfe C, Meitinger T. MitoP2, an integrated database on mitochondrial proteins in yeast and man. Nucleic Acids Res, 2004, 32: D459 D462.[DOI] [4] Hengartner MO. The biochemistry of apoptosis. Nature, 2000, 407(6805): [DOI] [5] Taylor RW, Turnbull DM. Mitochondrial DNA mutations in human disease. Nat Rev Genet, 2005, 6(5): [DOI] [6],. -trna., 2008, 35(8): [7] Eriani G, Delarue M, Poch O, Gangloff J, Moras D. Partition of trna synthetases into two classes based on mutually exclusive sets of sequence motifs. Nature, 1990, 347(6289): [DOI] [8] Curnow AW, Ibba M, Söll D. trna-dependent asparagine formation. Nature, 1996, 382(6592): [DOI] [9] Ibba M, Söll D. Aminoacyl-tRNA synthesis. Annu Rev Biochem, 2000, 69: [DOI] [10] Brindefalk B, Viklund J, Larsson D, Thollesson M, Andersson SG. Origin and evolution of the mitochondrial aminoacyl-trna synthetases. Mol Biol and Evol, 2007, 24(3): [11] Chang PK, Dignam JD. Primary structure of alanyl-trna synthetase and the regulation of its mrna levels in Bombyx mori. J Biol Chem, 1990, 265(34): [12] Nada S, Chang PK, Dignam JD. Primary structure of the gene for glycyl-trna synthetase from Bombyx mori. J Biol Chem, 1993, 268(11): [13] Arnold K, Bordoli L, Kopp J, Schwede T. The SWISS- MODEL workspace: A web-based environment for protein structure homology modelling. Bioinformatics, 2006, 22(2): [14] Martinis SA, Plateau P, Cavarelli J, Florentz C. Aminoacyl-tRNA synthetases: a new image for a classical family. Biochimie, 1999, 81(7): [DOI] [15] Chihade JW, Brown JR, Schimmel PR, Ribas De Pouplana L. Origin of mitochondria in relation to evolutionary history of eukaryotic alanyl-trna synthetase. Proc Natl Acad Sci USA, 2000, 97(22): [DOI] [16] Ribas de Pouplana L, Schimmel P. A view into the origin of life: aminoacyl-trna synthetases. Cell Mol Life Sci, 2000, 57(6): [17] Hashimoto T, Sánchez LB, Shirakura T, Müller M, Hasegawa M. Secondary absence of mitochondria in Giardia lamblia and Trichomonas vaginalis revealed by valyl-trna synthetase phylogeny. Proc Natl Acad Sci USA, 1998, 95(12): [DOI] [18],. trna., 2002, 29(6): [19] Tolkunova E, Park H, Xia J, King MP, Davidson E. The human lysyl-trna synthetase gene encodes both the cytoplasmic and mitochondrial enzymes by means of an unusual alternative splicing of the primary transcript. J Biol Chem, 2000, 275(45): [DOI] [20] Natsoulis G, Hilger F, Fink GR. The HTS1 gene encodes both the cytoplasmic and mitochondrial histidine trna synthetases of S. cerevisiae. Cell, 1986, 46(2): [DOI] [21] Shiba K, Motegi H, Yoshida M, Noda T. Human asparainyl-trna synthetase: molecular cloning and the inference of the evolutionary history of Asx-tRNA synthetase family. Nucleic Acids Res, 1998, 26(22): [DOI] [22] Brown JR, Doolittle WF. Gene descent, duplication, and horizontal transfer in the evolution of glutamyl- and gltaminyl-trna synthetases. J Mol Evol, 1999, 49(4): [23] Woese CR, Olsen GJ, Ibba M, Söll D. Aminoacyl-tRNA synthetases, the genetic code, and the evolutionary process. Microbiol Mol Biol Rev, 2000, 64(1): [DOI] [24] Kim S, Lee SW, Choi EC, Choi SY. Aminoacyl-tRNA synthetases and their inhibitors as a novel family of antibiotics. Appl Microbiol Biotechnol, 2003, 61(4): [25] Rock FL, Mao W, Yaremchuk A, Tukalo M, Crépin T, Zhou H,, Zhang YK, Hernandez V, Akama T, Baker SJ, Plattner JJ, Shapiro L, Martinis SA, Benkovic SJ, Cusack S, Alley MR. An antifungal agent inhibits an aminoacyl-trna synthetase by trapping trna in the editing site. Science, 2007, 316(5832): [DOI] [26]. -trna., 2006, 18(3):

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